科学家发现精子无视主要物理定律

人类精子可以轻松地游过令人惊讶的粘稠液体——而且它们似乎违背了牛顿第三运动定律。

为了弄清楚它们是如何在理论上应该抵抗它们运动的物质中滑行的，由京都大学数学科学家石本健太领导的一个团队几年前研究了精子和其他微观生物游泳者的运动。

当艾萨克·牛顿爵士构思他现在著名的运动定律1686 年，他试图用一些巧妙的原理来解释物理物体与作用在其上的力之间的关系，事实证明，这些原理不一定适用于在粘性流体中蠕动的微观细胞。

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牛顿第三定律可以概括为“每一个动作，都有一个相等且相反的反应”。它表示自然界中一种特殊的对称性，其中对立的力量相互作用。

在最简单的例子中，两个大小相等的弹珠在地面上滚动时碰撞，会根据这个定律传递力和反弹。

然而，大自然是混乱的，并非所有物理系统受到这些对称性的约束。所谓的非互惠相互作用出现在由成群结队的鸟类组成的不守规矩的系统中，流体中的颗粒– 和游泳精子。

这些运动剂的运动方式显示出与它们身后的动物或它们周围的流体的不对称相互作用，形成了一个漏洞，使力相等和相反，以绕过牛顿第三定律。

因为鸟类和细胞产生自己的能量，随着它们每次拍打翅膀或尾巴的移动，系统就会被添加到系统中，系统被推到远离平衡的地方，并且相同的规则不适用。

在 2023 年 10 月发表的研究中，石本及其同事分析了人类精子的实验数据，并模拟了人类精子的运动绿藻,衣原体.两者都使用薄而弯曲的游泳鞭毛从细胞体突出的改变形状，或变形，以驱动细胞前进。

高粘度流体通常会耗散鞭毛的能量，阻止精子或单细胞藻类移动太多。然而，不知何故，弹性鞭毛可以推动这些细胞前进，而不会引起周围环境的反应。

研究人员发现，精子尾巴和藻类鞭毛具有”奇异的弹性”，这使得这些灵活的附属物能够四处移动，而不会向周围流体损失太多能量。

但这种奇怪弹性的特性并不能完全解释鞭毛波状运动的推进力。因此，从他们的建模研究中，研究人员还推导出了一个新术语，即奇数弹性模量，来描述鞭毛的内部力学。

“从可求解的简单模型到生物鞭毛波形衣原体和精子细胞，我们研究了奇弯曲模量，以破译材料内的非局部、非互惠的内部相互作用，“研究人员结束.

研究结果可能有助于设计小型、自组装机器人模仿活体材料，而建模方法可用于更好地理解集体行为的基本原理，该团队说.

该研究发表在PRX生活.

本文的早期版本于 2023 年 10 月发布。

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