Японские ученые признали человеческие сперматозоиды «нарушителями» третьего закона Ньютона. По их данным, во время движения они двигаются таким образом, что окружающая среда не влияет на них в соответствии с этим правилом.
Законы механики Ньютон придумал в 1686 году, чтобы объяснить взаимосвязь между физическим объектом и действующими на него силами. Третий закон гласит, что у каждого действия есть равное и противоположное противодействие.
Однако трое специалистов по гидродинамике и математическому моделированию из Киотского университета (Япония) заметили, что сперматозоиды и водоросли Chlamydomonas перемещаются с меньшими усилиями, чем это должно было быть, если бы третий закон Ньютона действовал на них линейно. Результаты работы опубликованы в журнале PRX Life.
Чтобы понять динамику живых клеток в вязкой жидкости, ученые распространили ранее известную концепцию антисимметричных упругих колебаний до нелинейного режима. Заменив в расчетах параметры неизменной формы сперматозоидов на изменяемые (те при движении активно изгибают хвост, занимающий основную часть длины клетки), они смогли получить достаточно необычные результаты для расчета передвижения в вязкой среде: третий закон Ньютона тут не снижал так сильно скорость перемещения, поскольку в момент влияния противодействия на движущуюся клетку ее форма уже успевала измениться так, что это противодействие не тормозило ее так сильно.
Кроме того, чтобы охарактеризовать силы, действующие на сперматозоиды, они ввели новую концепцию — модуль антисимметричной упругости.
Сперматозоиды и водоросли Chlamydomonas (впрочем, не только они) используют жгутики для перемещения. Они совершали волнообразные движения, толкаясь сквозь жидкость. Однако слишком вязкие жидкости, как правило, рассеивают энергию жгутика и замедляют движение. Но этого не происходило.
По мнению специалистов, хвосты сперматозоидов и жгутики водорослей обладают антисимметричной упругостью, которая позволяет им двигаться, не теряя много энергии. Жгутики двигаются определенным образом: они волнообразно изгибаются в ответ на движение жидкости, предотвращая равную и противоположную реакцию и сохраняя энергию своего владельца.
Ученые надеются, что их открытие поможет в разработке маленьких самособирающихся роботов, имитирующих живые материалы. А их методы моделирования можно будет использовать для лучшего понимания основополагающих принципов коллективного поведения.