يمكن للحيوانات المنوية البشرية أن تسبح بسهولة عبر السوائل اللزجة بشكل مدهش، ويبدو أنها تتحدى قانون نيوتن الثالث للحركة للقيام بذلك.

ولمعرفة كيفية انزلاقها عبر المواد التي ينبغي، نظريًا، أن تقاوم حركتها، قام فريق بقيادة كينتا إيشيموتو، عالم الرياضيات في جامعة كيوتو، بالتحقيق في حركات الحيوانات المنوية وغيرها من السباحين البيولوجيين المجهريين قبل بضع سنوات.

عندما تصور السير إسحاق نيوتن ابنه الشهير الآن قوانين الحركة في عام 1686، سعى إلى شرح العلاقة بين الجسم المادي والقوى المؤثرة عليه من خلال بعض المبادئ الدقيقة التي اتضح أنها لا تنطبق بالضرورة على الخلايا المجهرية التي تتلوى عبر السوائل اللزجة.

متعلق ب: لقد أخطأنا في قراءة قانون رئيسي في الفيزياء منذ ما يقرب من 300 عام

ويمكن تلخيص قانون نيوتن الثالث على النحو التالي: “لكل فعل هناك رد فعل مساو له في المقدار ومعاكس له في الاتجاه”. إنه يدل على تناظر معين في الطبيعة حيث تعمل القوى المتعارضة ضد بعضها البعض.

في أبسط مثال، اصطدام قطعتين من الرخام متساويتين في الحجم أثناء تدحرجهما على الأرض سوف ينقل قوتهما ويرتدان بناءً على هذا القانون.

ومع ذلك، فإن الطبيعة فوضوية، و ليس كل الأنظمة المادية ملزمة بهذه التماثلات. ما يسمى بالتفاعلات غير المتبادلة تظهر في الأنظمة الجامحة المكونة من أسراب الطيور، جزيئات في السائل – و سباحة الحيوانات المنوية .

تتحرك هذه العوامل المتحركة بطرق تظهر تفاعلات غير متماثلة مع الحيوانات التي تقف خلفها أو مع السوائل التي تحيط بها، مما يشكل ثغرة لقوى متساوية ومعاكسة للتحايل على قانون نيوتن الثالث.

لأن الطيور والخلايا توليد الطاقة الخاصة بهم، والتي تضاف إلى النظام مع كل رفرفة من أجنحتها أو حركة ذيولها، يتم دفع النظام بعيدًا عن التوازن، ولا تنطبق نفس القواعد.

وفي دراستهم المنشورة في أكتوبر 2023، قام إيشيموتو وزملاؤه بتحليل البيانات التجريبية على الحيوانات المنوية البشرية وقاموا أيضًا بوضع نموذج لحركة الطحالب الخضراء, الكلاميدوموناس. كلاهما يسبحان باستخدام نحيف ومرن سوط التي تبرز من جسم الخلية و تغيير الشكلأو تشوه لدفع الخلايا إلى الأمام.

السوائل شديدة اللزوجة عادةً ما يبدد طاقة السوط، مما يمنع الحيوانات المنوية أو الطحالب وحيدة الخلية من التحرك كثيرًا على الإطلاق. ومع ذلك، بطريقة ما، يمكن للسوط المرن أن يدفع هذه الخلايا دون إثارة استجابة من البيئة المحيطة بها.

ووجد الباحثون أن ذيول الحيوانات المنوية وأساطيل الطحالب لها ‘مرونة غريبة”، مما يسمح لهذه الزوائد المرنة بالتحرك دون فقدان الكثير من الطاقة للسائل المحيط.

لكن خاصية المرونة الغريبة هذه لم تفسر بشكل كامل الدفع الناتج عن الحركة الموجية للسوط. لذلك، ومن دراسات النمذجة، اشتق الباحثون أيضًا مصطلحًا جديدًا، وهو معامل المرونة الغريب، لوصف الميكانيكا الداخلية للسوط.

“من النماذج البسيطة القابلة للحل إلى الأشكال الموجية السوطية البيولوجية الكلاميدوموناس وخلايا الحيوانات المنوية، قمنا بدراسة معامل الانحناء الفردي لفك رموز التفاعلات الداخلية غير المحلية وغير المتبادلة داخل المادة”. خلص.

النتائج يمكن أن تساعد في تصميم صغيرة، الروبوتات ذاتية التجميع التي تحاكي المواد الحية، في حين يمكن استخدام أساليب النمذجة لفهم المبادئ الأساسية للسلوك الجماعي، الفريق بشكل أفضل قال.

ونشرت الدراسة في حياة بي آر إكس.

نُشرت نسخة سابقة من هذه المقالة في أكتوبر 2023.