بذيولها التي تشبه السوط، تدفع الحيوانات المنوية البشرية نفسها عبر السوائل اللزجة، في تحد واضح لقانون نيوتن الثالث للحركة، وفقًا لدراسة حديثة تميز حركة هذه الخلايا الجنسية والطحالب وحيدة الخلية.
قام كينتا إيشيموتو، عالم الرياضيات في جامعة كيوتو، وزملاؤه بدراسة هذه التفاعلات غير المتبادلة في الحيوانات المنوية وغيرها من السباحين البيولوجيين المجهريين، لفهم كيفية ضغطهم من خلال المواد التي ينبغي، من الناحية النظرية، مقاومة حركتها.
عندما صمم نيوتن كتابه الشهير الآن قوانين الحركة وفي عام 1686، سعى إلى شرح العلاقة بين الجسم المادي والقوى المؤثرة عليه باستخدام بعض المبادئ الدقيقة التي، كما تبين، لا تنطبق بالضرورة على الخلايا المجهرية التي تتلوى في السوائل اللزجة.
ويمكن تلخيص قانون نيوتن الثالث فيما يلي: “لكل فعل رد فعل مساوٍ له في المقدار ومعاكس له في الاتجاه”. إنه يعني تناظرًا خاصًا في الطبيعة حيث تعمل القوى المتعارضة ضد بعضها البعض. في أبسط مثال، اصطدام كرتين متساويتين في الحجم أثناء تدحرجهما على الأرض سوف ينقل قوتهما ويرتدان بناءً على هذا القانون.
ومع ذلك، فإن الطبيعة فوضوية و ليس كل الأنظمة المادية ترتبط بهذه التماثلات. ويظهر ما يسمى بالتفاعلات غير المتبادلة في الأنظمة غير المنضبطة المكونة من الطيور في قطعان، جزيئات في السائل – و سباحة الحيوانات المنوية .
تتحرك هذه العوامل المتحركة بطرق تظهر تفاعلات غير متماثلة مع الحيوانات التي تقف خلفها أو مع السوائل المحيطة بها، وبالتالي تشكل خط صدع يسمح لقوى متساوية ومعاكسة بالتحايل على قانون نيوتن الثالث.
لأن الطيور والخلايا توليد الطاقة الخاصة بهموالتي تضاف إلى النظام مع كل رفرفة للأجنحة أو نقرة بالذيل، يتم دفع النظام بعيدًا عن التوازن ولا تنطبق نفس القواعد.
في دراستهم المنشورة في أكتوبر، قام إيشيموتو وزملاؤه بتحليل البيانات التجريبية حول الحيوانات المنوية البشرية وقاموا أيضًا بوضع نموذج لحركة الحيوانات المنوية. طحالب خضراء, الكلاميدوموناس. كلاهما يسبح باستخدام الأسواط التي تبرز من جسم الخلية ويتغير شكلها أو تشوه لتحريك الخلايا إلى الأمام.
السوائل شديدة اللزوجة من شأنه عادةً أن يبدد طاقة السوط، مما يمنع الحيوانات المنوية أو الطحالب أحادية الخلية من التحرك كثيرًا. ومع ذلك، يمكن للسوط المرن أن يدفع هذه الخلايا دون إثارة استجابة من بيئتها.
اكتشف الباحثون أن ذيول الحيوانات المنوية وأسواط الطحالب لها “مرونة غريبةمما يسمح لهذه الزوائد المرنة بالتحرك دون فقدان الكثير من الطاقة للسائل المحيط.
لكن خاصية المرونة الغريبة هذه لم تفسر بشكل كامل الدفع الناتج عن حركة الأسواط الشبيهة بالموجة. لذلك، من دراسات النمذجة الخاصة بهم، اشتق الباحثون أيضًا مصطلحًا جديدًا، وهو معامل المرونة الغريب، لوصف الميكانيكا الداخلية للسوط.
“من النماذج البسيطة القابلة للذوبان إلى أشكال الموجات السوطية البيولوجية الكلاميدوموناس وقال الباحثون: “لقد قمنا بدراسة معامل الانحناء الغريب لفك رموز التفاعلات الداخلية غير المحلية وغير المتبادلة داخل المادة”. انتهى.
النتائج يمكن أن تساعد في تصميم الصغيرة، الروبوتات ذاتية التجميع التي تحاكي المواد الحية، في حين يمكن استخدام أساليب النمذجة لفهم المبادئ الأساسية للسلوك الجماعي، الفريق بشكل أفضل قال.
ونشرت الدراسة في الحياة بي آر إكس.
نُشرت نسخة سابقة من هذه المقالة في أكتوبر 2023.
