日本科学家发现精子违反了牛顿第三定律

日本科学家发现精子违反了牛顿第三定律

2023-10-29 21:10

一项描述这些性细胞和单细胞藻类运动特征的新研究表明，人类精子凭借鞭状的尾巴在粘性液体中推动自身，这似乎违反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，以弄清楚它们如何在理论上应该抵抗其运动的物质中滑行。

当牛顿于 1686 年构想出他现在著名的运动定律时，他试图用一些简洁的原理来解释物理物体和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蠕动的微观细胞。粘性液体。

牛顿第三定律可以概括为“每一个作用力，都会产生一个大小相等、方向相反的反作用力”。它表示自然界中一种特殊的对称性，其中相反的力量相互作用。在最简单的例子中，两个大小相等的弹珠在地面上滚动时发生碰撞，将根据该定律传递力并反弹。

然而，大自然是混乱的，并非所有物理系统都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的鸟类、液体中的颗粒和游动的精子组成的不规则系统中。

这些运动主体的运动方式与它们身后的动物或它们周围的液体表现出不对称的相互作用，形成了相等和相反的力的漏洞，从而绕过了牛顿第三定律。

因为鸟类和细胞会产生自己的能量，这些能量会随着翅膀的每次拍动或尾巴的摇动而添加到系统中，因此系统被推力远离平衡，并且相同的规则不适用。

Ishimoto 及其同事分析了人类精子的实验数据，并模拟了绿藻衣藻的运动。两者都使用细而弯曲的鞭毛游泳，这些鞭毛从细胞体伸出并改变形状或变形，以驱动细胞前进。

高粘性液体通常会消耗鞭毛的能量，从而阻止精子或单细胞藻类的大量移动。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，精子尾部和藻类鞭毛具有“奇怪的弹性”，这使得这些灵活的附属物能够在不向周围液体损失太多能量的情况下进行鞭打。

但这种奇怪的弹性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，研究人员还衍生出了一个新术语，即奇弹性模量，来描述鞭毛的内部力学。

研究人员总结道：“从可解的简单模型到衣藻和精子细胞的生物鞭毛波形，我们研究了奇数弯曲模量，以破译材料内的非局域、非互易的内部相互作用。”

研究小组补充说，这些发现可能有助于设计模仿生物材料的小型自组装机器人，而建模方法可用于更好地理解集体行为的基本原理。

该研究已发表在PRX Life上。（sciencealert）

来源：科学家杂志

小编微信

注：添加小编请备注昵称+单位+研究

生命科学综合交流QQ群:681341860

微信学科群：病毒学群，神经科学群、临床医学、肿瘤学科群、硕博交流群和医药投资交流群（微信群审核要求较高，请各位添加小编后主动备注单位研究方向）

微信扫码关注该文公众号作者

戳这里提交新闻线索和高质量文章给我们。

来源: qq