Żywe komórki pokazują, że prawa Newtona mają swoje wyjątki

Ludzki plemnik potrafi pływać przez niezwykle gęste płyny z łatwością, jakby całkowicie ignorował jedno z najważniejszych praw fizyki – trzecią zasadę dynamiki Newtona.

Zespół badaczy pod kierunkiem dr Kenty Ishimoto z Uniwersytetu w Kioto przeanalizował sposób poruszania się plemników i innych mikroskopijnych organizmów, aby zrozumieć, jak mogą one przemieszczać się w środowiskach, które teoretycznie powinny całkowicie zatrzymać ich ruch.

⚛️ Kiedy Newton nie ma racji

W 1686 roku Izaak Newton sformułował swoje słynne prawa ruchu, opisujące relację między ciałem fizycznym a działającymi na nie siłami. Jedno z nich – trzecie prawo Newtona – głosi, że „każdemu działaniu towarzyszy równa i przeciwnie skierowana reakcja”.

Zasada ta doskonale sprawdza się w świecie makroskopowym: jeśli dwie kulki się zderzą, obie odbiją się z siłą zależną od ich masy i prędkości. Jednak, jak się okazuje, na poziomie mikroświata ta symetria może zostać złamana.

W układach biologicznych – takich jak ruch plemników, ptaków w stadzie czy cząstek w cieczy – pojawiają się tzw. oddziaływania niereciproczne (działania bez odwrotnej reakcji), które sprawiają, że zasada „akcji i reakcji” przestaje obowiązywać w klasycznym sensie.

Plemniki kontra fizyka

Plemniki i glony, takie jak Chlamydomonas, poruszają się dzięki cienkim, giętkim wypustkom zwanym wiciami (flagellami). Te struktury wyginają się falowo, co pozwala komórkom pływać do przodu.

W gęstych cieczach, w których ruch jest tłumiony, wicie powinny tracić energię i zatrzymywać się niemal natychmiast. Tymczasem – jak wykazali japońscy badacze – poruszają się dalej, jakby ich energia nie ulegała rozproszeniu.

Okazało się, że ich elastyczne ogonki mają niezwykłą właściwość zwaną „dziwną elastycznością” (odd elasticity). Dzięki niej flagella potrafią poruszać się w sposób, który minimalizuje utratę energii w otaczającym płynie – i tym samym pozwala im „oszukać” prawa fizyki.

Nowe pojęcie w fizyce mikroskopowej

Aby w pełni opisać to zjawisko, zespół Ishimoto wprowadził nowe pojęcie: „moduł dziwnej sprężystości” (odd elastic modulus) – parametr opisujący wewnętrzną mechanikę flagelli i jej zdolność do niereciprocalnego ruchu.

„Od prostych modeli matematycznych po rzeczywiste struktury biologiczne – badaliśmy nielokalne, asymetryczne interakcje zachodzące wewnątrz materiału flagelli” – napisali autorzy w publikacji.

Ich praca pokazuje, że żywe organizmy potrafią wytwarzać własną energię i wprowadzać układ w stan daleki od równowagi, w którym klasyczne prawa fizyki przestają obowiązywać w dosłownym znaczeniu.

„Przyszłość obliczeń i robotyki może być biologiczna”

Choć plemniki łamią „świętą zasadę Newtona”, nie oznacza to, że prawa fizyki są błędne – raczej to, że świat biologiczny rządzi się własnymi, bardziej złożonymi regułami.

Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie PRX Life, a naukowcy z Kioto podsumowali je słowami:

„Od mikroskopijnych komórek po zaawansowane roboty — przyszłość ruchu może należeć do materiałów żywych”.

Źródło: journals.aps.org