科学家发现精子违背了物理定律之一

根据最近一项描述这些性细胞和单细胞藻类运动的研究，人类精子用鞭状尾巴推动自己穿过粘稠的液体，这似乎违背了牛顿第三运动定律。

京都大学的数学科学家 Kenta Ishimoto 及其同事研究了精子和其他微观生物游泳者中的这些非互惠相互作用，以弄清楚它们如何滑过理论上应该抵抗它们运动的物质。

当牛顿构思出他现在著名的运动定律1686 年，他试图用一些简洁的原则来解释物理物体与作用在其上的力之间的关系，事实证明，这些原则不一定适用于在粘性液体中蠕动的微观细胞。

牛顿第三定律可以概括为“对于每一个动作，都有一个相等和相反的反作用力”。它表示自然界中的一种特殊对称性，其中对立的力相互对抗。在最简单的例子中，两个大小相等的弹珠在沿地面滚动时碰撞，将根据该定律转移它们的力并反弹。

然而，大自然是混乱的，并非所有物理系统受这些对称性的约束。所谓的非互惠互动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– 和游泳的精子。

这些运动剂的运动方式与它们身后的动物或周围的流体发生不对称的相互作用，形成一个漏洞，让相等和相反的力绕过牛顿第三定律。

因为鸟类和细胞产生自己的能源，随着它们的每一次翅膀拍打或尾巴的鞭打而被添加到系统中，系统被推得远离平衡，同样的规则不适用。

在 2023 年 10 月发表的研究中，Ishimoto 及其同事分析了人类精子的实验数据，并模拟了绿藻,衣藻.两者都使用薄、弯曲的鞭毛从细胞体中突出的更改形状或变形，以驱动单元向前移动。

高粘度流体通常会耗散鞭毛的能量，从而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有一个 '奇数弹性”，它允许这些灵活的附属物四处抽动，而不会因周围的液体而损失太多能量。

但这种奇特的弹性特性并不能完全解释鞭毛波浪状运动的推进力。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。

“从可解的简单模型到生物鞭毛波形衣藻和精子细胞，我们研究了奇数弯曲模量，以破译材料内部的非局部、非互易内部相互作用，“研究人员结束.

这些发现可能有助于设计小型、自组装机器人模拟有生命的材料，而建模方法可以用来更好地理解集体行为的基本原则，但该团队说.

该研究发表在PRX 人寿.

本文的早期版本发表于 2023 年 10 月。

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