研究发现精子“无视”牛顿第三定律

科学家研究人类精子和单细胞藻类运动发现，其尾部独特弹性使其无需遵循牛顿第三定律，为微观生物高效移动提供新思路。

根据最近的一项研究，人类精子依靠鞭毛在粘稠液体中游动，似乎违背了牛顿第三定律。该研究分析了精子和其他微观生物的运动方式。

京都大学的数学科学家石本健太和他的团队研究了精子和其他微观生物游泳者如何穿过理论上应该阻碍它们移动的物质。

1686年，牛顿在著名的运动定律中阐述了物体与作用力之间的关系。然而，他的定律似乎并不完全适用于微观细胞在粘稠液体中摆动。

牛顿第三定律总结为“作用力和反作用力大小相等，方向相反”。它代表了自然界中特定类型的对称性，即相反的力相互作用。例如，两个相同大小的弹珠碰撞时，它们会根据这一定律传递力并反弹。

然而，自然界是复杂的，并非所有物理系统都受这些对称性约束。所谓的非互惠相互作用出现在成群结队的鸟类、流体中的粒子以及游泳的精子等混乱系统中。

这些运动物体与周围动物或液体之间表现出非对称的相互作用，为绕开牛顿第三定律的相等和相反力创造了漏洞。

由于鸟类和细胞会产生自己的能量，每次翅膀扇动或尾巴摆动都会将能量添加到系统中，使系统远离平衡，因此不再适用相同的规则。

石本和他的团队在10月发表的这项研究中，分析了人类精子和绿藻衣藻的实验数据，并模拟了它们的运动。它们都使用从细胞体延伸而出纤细弯曲的鞭毛，通过改变形状或变形来推动细胞前进。

通常情况下，高粘度的液体会消耗鞭毛的能量，使精子和单细胞藻类无法移动太远。然而，这些弹性的鞭毛却能推动细胞前进，而不引起周围环境的反应。

研究人员发现，精子尾部和藻类鞭毛具有“奇异的弹性”，这种弹性使这些灵活的附属物能够摆动而不损失太多能量传递给周围液体。

然而，这种奇异弹性的特性并不能完全解释鞭毛波浪状运动产生的推动力。因此，研究人员通过模拟研究，还提出了一个新的术语——奇异弹性模量，用来描述鞭毛的内部力学。

“我们从可解的简单模型到衣藻和精子细胞的生物鞭毛波形，研究了奇异弯曲模量，以破译材料内部非局部、非互惠的相互作用。”研究人员总结道。

研究小组表示，这些发现可以帮助设计模仿生命材料的小型自组装机器人，而建模方法则可以用于更好地理解集体行为背后的基本原理。

这项研究发表在PRX Life杂志上。

本文译自 ScienceAlert，由 BALI 编辑发布。