Исследование, которое провели специалисты Киотского университета под руководством биофизика Кенты Исимото показало, что сперматозоиды буквально опровергают своим движением один из фундаментальных законов физики — третий закон Ньютона, который гласит: на каждое действие есть равное и противоположное ему противодействие.
Обычно этот закон легко проиллюстрировать на примере столкновения двух шариков: при ударе они отскакивают друг от друга с равной силой. Но на микроуровне все оказывается не так просто. Там действуют так называемые невзаимные взаимодействия — асимметричные силы, при действии которых не возникает прямого ответа, направленного в противоположную сторону. В неуправляемых системах — например, в стае птиц или сперме с плывущими в ней сперматозоидами — классическая симметрия сил нарушается.
Как оказалось, причиной этого нарушения является способность участников такой системы самостоятельно генерировать энергию. В отличие от пассивных объектов, клетки используют внутренние источники энергии, чтобы двигаться: хвост сперматозоида изгибается, создавая тягу, которая толкает его вперед. Этот процесс обеспечивается внутренней механикой клетки, и энергия, которая поступает в систему, выводит ее из состояния равновесия. В таких условиях привычные законы, в том числе третий закон Ньютона, теряют свое универсальное влияние.
В своем исследовании Ишимото и его коллеги, помимо теоретического анализа движений сперматозоидов, моделировали движение зеленых водорослей хламидомонад (Chlamydomonas). Клетки водоросли плавают с помощью пары тонких, гибких жгутиков, которые выступают из тельца хламидомонады и меняют свою форму, чтобы продвигать клетку вперед. Ученые обнаружили, что хвосты сперматозоидов и жгутики водорослей обладают так называемой «необычной эластичностью» — свойством, при котором эти гибкие структуры деформируются и возвращаются в исходное состояние без значительных потерь энергии.
Однако этого оказалось недостаточно для полного объяснения механизма движения. В процессе моделирования ученые вывели новый параметр — «необычный модуль упругости изгиба», который описывает сложные внутренние силы, действующие вдоль жгутика. Эти внутренние взаимодействия являются несимметричными и позволяют клетке двигаться в вязкой среде без заметного сопротивления со стороны окружающей жидкости.
По словам ученых, полученные ими результаты могут стать основой для разработки микророботов, способных эффективно передвигаться в сложных и вязких средах, а методы моделирования можно использовать для лучшего понимания основополагающих принципов поведения живых систем — от клеточных скоплений до организмов в биологических роях.
Ранее ученые выяснили, что именно заставляет сперматозоиды продвигаться вперед по женским репродуктивным путям.
