Con sus colas en forma de látigo, los espermatozoides humanos se impulsan a través de fluidos viscosos, aparentemente desafiando la tercera ley del movimiento de Newton, según un estudio reciente que caracteriza el movimiento de estas células sexuales y algas unicelulares.
Kenta Ishimoto, científico matemático de la Universidad de Kyoto, y sus colegas investigaron estas interacciones no recíprocas en los espermatozoides y otros nadadores biológicos microscópicos, para descubrir cómo se deslizan a través de sustancias que, en teoría, deberían resistir su movimiento.
Cuando Newton concibió su ahora famoso leyes del movimiento en 1686, trató de explicar la relación entre un objeto físico y las fuerzas que actúan sobre él con algunos principios claros que, resulta que, no necesariamente se aplican a células microscópicas que se retuercen a través de fluidos pegajosos.
La tercera ley de Newton se puede resumir en que “para cada acción hay una reacción igual y opuesta”. Significa una simetría particular en la naturaleza donde fuerzas opuestas actúan entre sí. En el ejemplo más simple, dos canicas del mismo tamaño que chocan mientras ruedan por el suelo transferirán su fuerza y rebotarán según esta ley.
Sin embargo, la naturaleza es caótica y no todos los sistemas físicos están sujetos a estas simetrías. Las llamadas interacciones no recíprocas aparecen en sistemas rebeldes formados por bandadas de pájaros, partículas en fluido – y esperma nadando.
Estos agentes móviles se mueven de manera que muestran interacciones asimétricas con los animales detrás de ellos o los fluidos que los rodean, formando un resquicio para que fuerzas iguales y opuestas eludan la tercera ley de Newton.
Porque los pájaros y las células generar su propia energíaque se agrega al sistema con cada aleteo de sus alas o látigo de su cola, el sistema se aleja del equilibrio y no se aplican las mismas reglas.
En su estudio publicado en octubre de 2023, Ishimoto y sus colegas analizaron datos experimentales sobre esperma humano y también modelaron el movimiento de algas verdes, clamidomonas. Ambos nadan usando flotadores finos y flexibles. flagelos que sobresalen del cuerpo celular y cambiar de formao deformarse, para impulsar las células hacia adelante.
Fluidos muy viscosos normalmente disiparía la energía de un flagelo, evitando que un espermatozoide o un alga unicelular se mueva mucho. Y, sin embargo, de alguna manera, los flagelos elásticos pueden impulsar estas células sin provocar una respuesta de su entorno.
Los investigadores descubrieron que las colas de los espermatozoides y los flagelos de las algas tienen una ‘elasticidad extraña’lo que permite que estos apéndices flexibles se muevan sin perder mucha energía en el fluido circundante.
Pero esta propiedad de extraña elasticidad no explicaba completamente la propulsión del movimiento ondulatorio de los flagelos. Entonces, a partir de sus estudios de modelado, los investigadores también derivaron un nuevo término, módulo elástico impar, para describir la mecánica interna de los flagelos.
“Desde modelos simples con solución hasta formas de onda flagelar biológicas para clamidomonas y espermatozoides, estudiamos el módulo de flexión impar para descifrar las interacciones internas no locales y no recíprocas dentro del material”, afirman los investigadores. concluyó.
Los hallazgos podrían ayudar en el diseño de pequeños, robots autoensamblables que imitan materiales vivos, mientras que los métodos de modelado podrían usarse para comprender mejor los principios subyacentes del comportamiento colectivo, el equipo dicho.
El estudio fue publicado en vida prx.
Una versión anterior de este artículo se publicó en octubre de 2023.