科學(xué)家發(fā)現(xiàn)精子違反物理定律之一

根據(jù)一項(xiàng)表征這些性細(xì)胞和單細(xì)胞藻類運(yùn)動(dòng)的新研究，人類精子用鞭子狀的尾巴推動(dòng)自己穿過(guò)粘稠的液體，似乎無(wú)視牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律。

京都大學(xué)的數(shù)學(xué)科學(xué)家Kenta Ishimoto及其同事研究了精子和其他微觀生物游泳者中的這些非相互相互作用，以弄清楚它們?nèi)绾卧诶碚撋蠎?yīng)該抵抗其運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)中滑行。

當(dāng)牛頓構(gòu)思他現(xiàn)在著名的運(yùn)動(dòng)定律1686年，他試圖用一些簡(jiǎn)潔的原理來(lái)解釋物理物體與作用在其上的力之間的關(guān)系，事實(shí)證明，這些原理不一定適用于在粘性液體中蠕動(dòng)的微觀細(xì)胞。

牛頓第三定律可以概括為“對(duì)于每一個(gè)動(dòng)作，都有一個(gè)相等和相反的反應(yīng)”。它表示自然界中對(duì)立力量相互對(duì)抗的特殊對(duì)稱性。在最簡(jiǎn)單的例子中，兩個(gè)大小相等的彈珠在沿地面滾動(dòng)時(shí)碰撞，將根據(jù)該定律傳遞其力和反彈。

然而，自然是混沌的，并非所有物理系統(tǒng)受這些對(duì)稱性的約束。所謂的非互惠相互作用出現(xiàn)在由鳥群組成的不守規(guī)矩的系統(tǒng)中，流體中的顆粒– 和游泳精子。

這些運(yùn)動(dòng)代理的移動(dòng)方式顯示出與它們背后的動(dòng)物或它們周圍的流體的不對(duì)稱相互作用，形成了相等和相反力的漏洞，以繞過(guò)牛頓第三定律。

因?yàn)轼B類和細(xì)胞產(chǎn)生自己的能量，它們每次拍打翅膀或尾巴的鞭子都會(huì)被添加到系統(tǒng)中，系統(tǒng)推力遠(yuǎn)未達(dá)到平衡，并且相同的規(guī)則不適用。

Ishimoto及其同事分析了人類精子的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并模擬了綠藻,衣藻.兩者都使用薄而彎曲的游泳鞭毛從細(xì)胞體突出的，并且更改形狀或變形，以驅(qū)動(dòng)細(xì)胞前進(jìn)。

高粘度流體通常會(huì)耗散鞭毛的能量，從而阻止精子或單細(xì)胞藻類移動(dòng)太多。然而，不知何故，彈性鞭毛可以推動(dòng)這些細(xì)胞前進(jìn)，而不會(huì)引起周圍環(huán)境的反應(yīng)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，精子尾巴和藻類鞭毛具有”奇怪的彈性'，這使得這些靈活的附屬物可以鞭打而不會(huì)對(duì)周圍的流體損失太多能量。

但是這種奇怪的彈性特性并不能完全解釋鞭毛波狀運(yùn)動(dòng)的推進(jìn)力。因此，從他們的建模研究中，研究人員還推導(dǎo)出一個(gè)新術(shù)語(yǔ)，一個(gè)奇數(shù)彈性模量，來(lái)描述鞭毛的內(nèi)部力學(xué)。

“從可求解的簡(jiǎn)單模型到生物鞭毛波形衣藻和精子細(xì)胞，我們研究了奇數(shù)彎曲模量，以破譯材料內(nèi)非局部、非互易的內(nèi)部相互作用，“研究人員說(shuō)。結(jié)束.

這些發(fā)現(xiàn)可能有助于設(shè)計(jì)小型，自組裝機(jī)器人模仿生活材料，雖然建模方法可用于更好地了解集體行為的基本原則，但團(tuán)隊(duì)增加.

該研究已發(fā)表在PRX人壽.

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