Вопреки Ньютону. Ученые узнали, как сперматозоиды нарушают третий закон физики, чтобы двигаться вперед
Исследователи изучают движение сперматозоидов (Фото: depositphotos.com)
Сперматозоиды движутся сквозь жидкости, которые должны были бы почти мгновенно останавливать их, однако новые исследования показывают, что им это удается благодаря использованию необычных свойств активной живой материи.
Сперматозоид не должен был бы быть сильным пловцом. Кента Ишимото из Киотского университета вместе с коллегами предложил объяснение: сперматозоиды используют специфическое свойство живой материи, которое физики назвали «непарной эластичностью« (odd elasticity).
По закону Ньютона, на каждое действие есть равное по силе противодействие. Это работает для бильярдных шаров или автомобилей. Но сперматозоид — это не пассивный шарик. Это активная система, которая постоянно «подкачивает» энергию изнутри. Как отмечают авторы исследования, третий закон Ньютона здесь будто нарушается, потому что перед нами открытая система, которая постоянно генерирует механическую энергию собственными микромоторами.
Проблема «гребца» в такой вязкой среде известна в науке как «теорема морского гребца». Суть ее в том, что если вы повторяете движение и просто разворачиваете его назад, вы не двигаетесь вперед. Сперматозоиды обходят это с помощью жгутиков, которые постоянно изгибаются волнами. Эти волны создаются молекулярными двигателями внутри хвоста. Жгутик ведет себя не как обычная пружина, а как активный материал, постоянно питающийся энергией.
Проще говоря, хвост сперматозоида — это не просто крошечный кнут. Это энергоемкая структура, внутренняя механика которой помогает ей двигаться в мире, где обычное движение вперед-назад было бы невозможным.
Для описания этого процесса команда придумала термин «непарная эластогидродинамика». Математически это выглядит как разделение двух процессов: того, что делает жидкость снаружи, и того, что происходит внутри самого жгутика. Раньше сопротивление жидкости «маскировало» внутреннюю механику хвоста, поэтому ученые не могли понять, что именно запускает волну. Теперь они ввели понятие «нечетного модуля эластичности» — инструмент, который помогает отделить активные силы от пассивного сопротивления.
Когда модель испытали на данных человеческих сперматозоидов и зеленых водорослей (хламидомонад), все сошлось. Внутренняя активность клетки действительно создает бегущие волны, а пассивная эластичность помогает эти волны стабилизировать, чтобы они не угасали.
