Fizikos dėsnių permąstymas mikroskopiniame lygmenyje: spermos judėjimas tirštuose skysčiuose

Fizikos dėsnių peržiūra mikroskopinėje skalėje

Daugiau nei tris šimtmečius Niutono judėjimo dėsniai buvo klasikinės fizikos pamatas, paaiškinantis, kaip objektai juda veikiami įvairių jėgų. Vis dėlto, naujausi matematinio mokslininko Kenta Ishimoto iš Kioto universiteto tyrimai atskleidė, kad kai kurios mikroskopinės gyvybės formos – pavyzdžiui, žmogaus spermos ląstelės – geba tam tikromis sąlygomis apeiti šiuos dėsnius, ypač judėdamos itin klampiuose skysčiuose. 2023 m. spalį publikuotas tyrimas suteikė naujų žinių apie spermos judėjimo mechaniką ir iš esmės paskatino permąstyti gamtos pagrindinius dėsnius.

Kodėl spermos judėjimas yra fizikos galvosūkis

Pagrindinis šio reiškinio aspektas – trečiasis Niutono dėsnis: „Kiekvienam veiksmui visada egzistuoja lygus ir priešingas atoveikis.“ Ši taisyklė aiškiai pasireiškia buitinėse situacijose, pavyzdžiui, kai susiduria dvi biliardo kamuoliukai. Tačiau žmogaus spermos ląstelėms per tirštus, klampius skysčius pavyksta judėti stebėtinai efektyviai – net tada, kai tikimasi, kad tokia terpė jų judėjimą smarkiai apsunkins.

Tokio pobūdžio sudėtingas judėjimas nėra būdingas tik spermai. Jis priskiriamas platesnei „nereciprocinės sąveikos“ sistemų kategorijai. Panašių judėjimo principų aptinkama paukščių būriuose ar chaotiškuose dalelių srautuose, kuriuose veiksmų ir atoveiksmių simetrija suplyšta. Skirtingai nei negyvos dalelės, biologiniai „plaukikai“, tokie kaip sperma ar žaliasis dumblis (Chlamydomonas), patys generuoja energiją ir įneša judėjimą į aplinką, taip išvesdami sistemą iš pusiausvyros. Tokiose sąlygose klasikinė fizikos simetrija praranda savo svarbą, leidžiant gyvybėms judėti taip, kaip to nenumato tradicinė mechanika.

Spermos ir dumblių judėjimo mechanizmų tyrimas

Tam, kad išsiaiškintų šį reiškinį, dr. Ishimoto kartu su kolegomis analizavo žmogaus spermos judėjimą eksperimentiškai ir matematiniais modeliais tyrė žaliojo dumblio Chlamydomonas plaukimo mechaniką. Abi ląstelių rūšys juda naudodamos ilgas, lanksčias uodegėles – žiuželius, kurie išsikiša iš ląstelės kūno. Judėdami bangomis, žiuželiai leidžia ląstelėms veržtis per aplinką.

Nors įprastai klampūs skysčiai stipriai išsklaido judėjimo energiją, tyrimo rezultatai parodė, kad šių žiuželių sandara pasižymi ypatinga savybe, vadinama „keista elastingumu“ (angl. odd elasticity). Tai padeda uodegėlėms efektyviai lankstytis ir skleisti bangas, taip mažinant energijos nuostolius ir užtikrinant efektyvų judėjimą.

Vis dėlto, vien keistas elastingumas negalėjo visiškai paaiškinti žiuželių judėjimo efektyvumo. Patobulintuose kompiuteriniuose modeliuose tyrėjai įvedė naują parametrą – „keistąjį elastingumo modulį“ (odd elastic modulus). Šis terminas tiksliau paaiškina vidines žiuželių mechanines savybes, leidžiančias jiems perduoti judėjimą tokiais nereciprociniais, energiškai efektyviais būdais.

Kaip pažymi tyrimo autoriai: „Nuo supaprastintų modelių iki biologinių Chlamydomonas ir spermos žiuželių bangos formų tyrėme keistojo lenkimo modulio reikšmę, kad išsiaiškintume nereciprocines, netolokalias vidines sąveikas medžiagoje.“ Šis darbas iš esmės išplėtė mūsų supratimą apie gyvybės judėjimą sudėtingoje aplinkoje mikroskopiniu masteliu.

Plačiosios implikacijos ir naujosios technologijos

Šie atradimai svarbūs ne tik biologijai. Perpratus mikroskopinį judėjimą tirštuose skysčiuose, mokslininkai galės kurti biomimetinius mikrorobotus, gebančius savarankiškai judėti per sudėtingas aplinkas – kaip tai daro gyvos ląstelės. Tokios technologijos gali iš esmės pakeisti tikslinį vaistų pristatymą, aplinkos monitoringą bei minkštosios robotikos sritį. Tyrime sukurti matematiniai modeliai pasitarnaus ir analizuojant kolektyvinius judesius, tokius kaip spiečius, būriavimąsi ar net dirbtinių aktyvių medžiagų migraciją.

Išvada

Kentos Ishimoto ir komandos tyrimai ne tik kelia abejonių dėl vieno iš svarbiausių klasikinių fizikos dėsnių, bet ir atveria naujas galimybes aktyviosios materijos pasaulio pažinimui. Pademonstruota, kaip sperma ir dumbliai gali plaukti per klampią terpę nepaklusdami Niutono trečiajam dėsniui, verčia permąstyti gyvybės veikimą mikroskopinėse skalėse. Šios išvados įkvepia naujai biomimetikos ir minkštosios robotikos erai ir parodo, kaip mokslo pažanga nuolat keičia mūsų supratimą apie gamtą – o fizikos dėsniai, kurie buvo laikomi universaliais, gali turėti įdomių išimčių.