Des scientifiques découvrent des spermatozoïdes qui défient une loi clé de la physique : ScienceAlert

Avec leurs queues en forme de fouet, les spermatozoïdes humains se propulsent à travers des fluides collants, apparemment au mépris de la troisième loi du mouvement de Newton, selon une étude récente caractérisant le mouvement de ces cellules sexuelles et des algues unicellulaires.

Kenta Ishimoto, mathématicien à l'Université de Kyoto, et ses collègues ont étudié ces interactions non réciproques chez les spermatozoïdes et d'autres nageurs biologiques microscopiques, pour découvrir comment ils glissent à travers des matériaux qui devraient, en théorie, résister à leur mouvement.

Quand Newton conçut son désormais célèbre Lois du mouvement En 1686, il chercha à expliquer la relation entre un corps physique et les forces agissant sur lui par des principes précis qui ne s'appliquaient pas nécessairement aux cellules microscopiques se tortillant dans des fluides visqueux.

La troisième loi de Newton peut être résumée ainsi : « Pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée. » Cela dénote une certaine symétrie dans la nature où les forces opposées s’opposent. Dans l’exemple le plus simple, deux billes de taille égale entrant en collision alors qu’elles roulent sur le sol transféreront leur force et rebondiront selon cette loi.

Cependant, la nature est désordonnée et… Tous les systèmes ne sont pas physiques Lié par ces symétries. Des interactions dites non réciproques apparaissent dans les systèmes sauvages composés de troupeaux d'oiseaux, Particules dans un liquide – Et le sperme nage.

Ces agents en mouvement se déplacent de manière à présenter des interactions asymétriques avec les animaux derrière eux ou avec les fluides qui les entourent, créant ainsi une faille permettant à des forces égales et opposées de contourner la troisième loi de Newton.

Parce que les oiseaux et les cellules Générer sa propre énergiequi s’ajoute au système à chaque battement d’ailes ou coup de queue, le système est poussé encore plus hors d’équilibre et les mêmes règles ne s’appliquent pas.

Dans leur étude publiée en octobre, Ishimoto et ses collègues ont analysé des données expérimentales liées au sperme humain et ont également modélisé le mouvement des… Les algues vertes, Chlamydomonas. Ils nagent tous les deux en utilisant un corps mince et flexible Flagelles Qui dépasse du corps cellulaire et change de forme ou se déforme pour pousser les cellules vers l’avant.

Liquides très visqueux Normalement, l’énergie des flagelles est dissipée, ce qui empêche les spermatozoïdes ou les algues unicellulaires de bouger beaucoup. Cependant, d’une manière ou d’une autre, le flagelle flexible peut pousser ces cellules sans provoquer de réponse de leur environnement.

Les chercheurs ont découvert que les queues des spermatozoïdes et leurs flottes d'algues« étrange élasticité »permettant à ces appendices flexibles de se déplacer sans perdre beaucoup d'énergie dans le fluide environnant.

Mais cette étrange propriété élastique n’expliquait pas complètement la propulsion générée par le mouvement ondulatoire du flagelle. Par conséquent, à partir d’études de modélisation, les chercheurs ont également dérivé un nouveau terme, le module d’élasticité excentrique, pour décrire la mécanique interne du flagelle.

« Des modèles simples résolubles aux formes d'ondes flagellaires biologiques Chlamydomonas « Et les spermatozoïdes, nous avons étudié le module de courbure individuel pour déchiffrer les interactions internes non locales et non réciproques au sein du matériau. » Je finis.

Les résultats peuvent aider à concevoir de petites Robots à assembler soi-même Qui imitent les matériaux vivants, tandis que les méthodes de modélisation peuvent être utilisées pour mieux comprendre les principes de base du comportement collectif d'équipe. Il a dit.

L'étude a été publiée dans Hyatt PRX.

Une version précédente de cet article a été publiée en octobre 2023.