Сперматозоиды бросают вызов третьему закону Ньютона: тайна микроскопического движения

Когда сэр Исаак Ньютон сформулировал свои знаменитые законы движения в XVII веке, он вряд ли мог представить, что три с половиной века спустя биологи и математики будут проверять их на… человеческих сперматозоидах.

Но именно это произошло: исследование, проведённое в Киотском университете, поставило под сомнение универсальность третьего закона Ньютона — того самого, где "на каждое действие есть равное и противоположное противодействие".

 Когда физика перестаёт быть симметричной

В мире планет, пушечных ядер и машин Ньютона его закон работает безупречно: если вы ударите по мячу, он отлетит с равной силой в противоположную сторону. Но на уровне микромира, где тела не парят в воздухе, а плывут в вязких средах, картина становится совсем другой.

Микроскопическая клетка, вроде сперматозоида или водоросли хламидомонады, перемещается не за счёт "удара" по среде, а через непрерывное взаимодействие с ней.
Эти живые организмы создают движение, используя энергию, производимую самими клетками, и потому не подчиняются "закону равновесия". Их системы далеки от статического состояния — и именно это позволяет им обойти третий закон Ньютона.

Исследование из Киото

Математик Кэнта Ишимото и его коллеги решили разобраться, почему человеческие сперматозоиды движутся столь эффективно в жидкостях, которые по своей вязкости ближе к мёду, чем к воде.

"Если следовать классическим законам, сперматозоид должен застрять, — говорит Ишимото. — Но он не просто движется, он делает это экономно и грациозно".

Учёные объединили наблюдения под микроскопом с математическим моделированием движения сперматозоидов и одноклеточных водорослей. Эти клетки движутся благодаря жгутикам, длинным, гибким отросткам, которые изгибаются волнообразно.

Странная эластичность живых хвостов

В вязкой среде энергия должна быстро рассеиваться, а движение — затухать. Но в реальности жгутик продолжает колебаться и продвигает клетку вперёд.
Исследователи обнаружили, что это возможно благодаря явлению, которое они назвали "странной эластичностью" — свойству материала сохранять энергию деформации и возвращать её в движение без потерь.

Хвост сперматозоида действует как микроскопическая пружина с памятью формы, которая преобразует внутренние колебания в поступательное движение.
Однако и этого объяснения оказалось недостаточно. Чтобы описать наблюдаемое поведение, учёные ввели новый физический параметр — "нечётный модуль упругости" (odd elasticity).

 Что такое "нечётный модуль упругости"

Обычные материалы — от стали до кожи — реагируют симметрично: если вы тянете или сжимаете их, они сопротивляются равномерно.
Но биологические ткани, особенно те, что активно потребляют энергию, могут вести себя иначе. Их сопротивление зависит от направления и времени воздействия - то есть они обладают внутренней асимметрией.

Именно эту особенность Ишимото назвал "нечётной упругостью".
Она позволяет клеткам создавать движение без внешнего толчка — словно пловец, который не отталкивается от воды, а заставляет её "скользить" мимо.

 Невзаимные взаимодействия — когда действие ≠ противодействие

Подобные эффекты наблюдаются не только у сперматозоидов. В природе есть множество систем, где взаимодействие не является взаимным:

• стаи птиц, где передняя особь влияет на задних, но не наоборот;

• рои бактерий, движущиеся как единый организм;

• частицы в активных жидкостях, способные самоорганизовываться.

Эти процессы объединяет одно — дополнительная энергия, поступающая в систему изнутри. В отличие от неживой материи, живые структуры не обязаны сохранять баланс сил.
Так природа находит обходные пути даже в рамках фундаментальных физических законов.

От клеток к роботам

Выводы Ишимото и его коллег могут выйти далеко за рамки биологии.
Понимание того, как микроскопические организмы двигаются без "противодействия", может помочь инженерам создавать микророботов, способных передвигаться по жидкостям или тканям человека.

Такие устройства уже проектируются для доставки лекарств, очистки сосудов и изучения микросреды организма.

Если удастся воспроизвести "нечётную упругость" в синтетических материалах, появятся самоорганизующиеся микромеханизмы, движущиеся без двигателей и топлива — как живые клетки.

Биология, нарушающая симметрию

Современная физика всё чаще сталкивается с примерами того, как живая материя нарушает классические законы.
Не потому, что эти законы неверны, а потому что жизнь добавляет в систему источник энергии, информации и внутреннего управления.

На уровне клетки это проявляется как способность жгутиков и мембран взаимодействовать с окружением "по своим правилам".
На уровне организмов — как коллективное движение стай, колоний, тканей, и даже ритмов сердца.

Часто задаваемые вопросы

Значит ли это, что Ньютон ошибался?
Нет. Его законы по-прежнему работают для замкнутых, пассивных систем. Но живые организмы — открытые: они получают энергию, обрабатывают её и меняют внутренние параметры, а потому не обязаны сохранять симметрию сил.

Что такое "нечётная упругость"?
Это свойство материала реагировать на деформацию несимметрично, когда сила и ответное движение не совпадают по направлению. Такое наблюдается только в активных системах — например, в жгутиках клеток.

Почему сперматозоиды движутся в вязкой жидкости так легко?
Они используют волнообразные колебания хвоста, превращая внутреннюю энергию в поступательное движение, не теряя её на трение.

Можно ли применить это в технологиях?
Да. Исследования подобной "живой механики" вдохновляют инженеров на создание микророботов и адаптивных материалов, способных двигаться и реагировать как клетки.