Los espermatozoides humanos pueden nadar a través de fluidos sorprendentemente viscosos con facilidad y aparentemente desafían la tercera ley del movimiento de Newton para hacerlo.
Para descubrir cómo se deslizan a través de sustancias que, en teoría, deberían resistir su movimiento, un equipo dirigido por Kenta Ishimoto, un científico matemático de la Universidad de Kyoto, investigó hace unos años los movimientos de los espermatozoides y otros nadadores biológicos microscópicos.
Cuando Sir Isaac Newton concibió sus ahora famosas 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, según parece, no necesariamente se aplican a células microscópicas que se retuercen a través de fluidos pegajosos.
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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 fluidos y espermatozoides 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.
Debido a que los pájaros y las células generan su propia energía, que se agrega al sistema con cada aleteo de sus alas o movimiento 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 las algas verdes Chlamydomonas. Ambos nadan usando flagelos delgados y flexibles que sobresalen del cuerpo celular y cambian de forma o se deforman para impulsar las células hacia adelante.
Los fluidos muy viscosos normalmente disiparían la energía de un flagelo, impidiendo que un espermatozoide o un alga unicelular se moviera 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 “extraña elasticidad”, que permite que estos apéndices flexibles se muevan sin perder mucha energía en el líquido 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 que se pueden resolver hasta formas de onda flagelar biológicas para Chlamydomonas y espermatozoides, estudiamos el módulo de flexión impar para descifrar las interacciones internas no locales y no recíprocas dentro del material”, concluyeron los investigadores.
Los hallazgos podrían ayudar en el diseño de pequeños robots autoensamblados que imitan materiales vivos, mientras que los métodos de modelado podrían usarse para comprender mejor los principios subyacentes del comportamiento colectivo, dijo el equipo.
El estudio fue publicado en PRX Life.
Una versión anterior de este artículo se publicó en octubre de 2023.