4 Minute
Reconsiderarea legilor fizicii la nivel microscopic
Peste trei secole, legile mișcării formulate de Newton au stat la baza fizicii clasice, explicând modul în care obiectele se comportă sub influența diferitelor forțe. Totuși, cercetări recente conduse de omul de știință Kenta Ishimoto de la Universitatea Kyoto arată că anumite forme de viață microscopice—precum spermatozoizii umani—par să încalce aceste reguli atunci când se deplasează prin fluide foarte vâscoase. Studiul, publicat în octombrie 2023, dezvăluie detalii fascinante despre mecanica mișcării spermatozoizilor, punând sub semnul întrebării unele dintre cele mai fundamentale principii ale naturii.
De ce mișcarea spermatozoizilor reprezintă un puzzle fizic
La baza acestui fenomen stă a treia lege a mișcării a lui Newton: „Fiecărei acțiuni îi corespunde o reacțiune egală și opusă.” Această lege guvernează evenimente cunoscute, cum ar fi ciocnirea și revenirea bilelor de biliard. Însă atunci când spermatozoizii înoată prin medii dense și lipicioase, se deplasează cu o ușurință neașteptată—sfidând ideea că aceste fluide ar trebui să le încetinească avansul.
Acest tipar neobișnuit nu este exclusiv spermatozoizilor. Fenomenul face parte dintr-o categorie mai largă de sisteme denumite „interacțiuni non-reciproce.” Interacțiuni similare se observă în stolurile de păsări sau în fluxuri turbulente de particule, acolo unde simetria acțiune-reacțiune nu se mai respectă. Spre deosebire de particulele neînsuflețite, organismele microscopice precum spermatozoizii sau algele verzi își generează singure energia, imprimând mișcare în mediul înconjurător și îndepărtând sistemul de la starea de echilibru. În aceste condiții, simetria elegantă a legilor newtoniene se destramă, iar mișcările rezultate pot ieși din tiparele fizicii clasice.
Investigații asupra mecanismelor de înot ale spermatozoizilor și algelor
Pentru a investiga acest mister din biofizică, dr. Ishimoto și colegii săi au analizat date experimentale despre spermatozoizi umani, precum și modele matematice pentru alga verde Chlamydomonas. Ambele organisme folosesc flageli—structuri lungi și flexibile care le propulsează prin mediul înconjurător. Ondularea flagelilor produce o mișcare eficientă prin fluid.
De regulă, fluidele vâscoase absorb energia obiectelor în mișcare, așa că ne-am aștepta ca coada spermatozoizilor sau flagelul algelor să întâmpine o rezistență mare. Surprinzător, cercetările au arătat că flagelii prezintă o proprietate materială specială numită „elasticitate impară.” Aceasta le permite să se îndoaie și să vibreze eficient, minimizând pierderile de energie în contact cu mediul înconjurător.
Totuși, elasticitatea impară nu explica pe deplin eficiența deplasării flagelilor. Prin modele computaționale avansate, cercetătorii au definit un nou parametru: „modulul elastic impar.” Acest concept descrie precis mecanismele interne care permit acestor structuri să transmită mișcare într-un mod non-reciproc și eficient din punct de vedere energetic.
După cum remarcă autorii studiului, „De la modele matematice simple, până la undele flagelare biologice ale Chlamydomonas și spermatozoizi, am analizat modulul de îndoire impar pentru a descifra interacțiunile interne non-locale și non-reciproce din cadrul materialului.” Această descoperire avansează semnificativ înțelegerea modului în care viața se adaptează la mediile complexe de la scară microscopică.
Implicatii extinse și tehnologii emergente
Consecințele acestor descoperiri depășesc domeniul biologiei. Înțelegerea fizicii motilității microscopice îi ajută pe cercetători să proiecteze microroboți biomimetici care se pot auto-asambla și deplasa prin fluide complexe, inspirându-se din comportamentul celulelor vii. Astfel de tehnologii ar putea revoluționa livrarea țintită de medicamente, monitorizarea mediului și robotică moale. De asemenea, modelele matematice elaborate în acest studiu pot contribui la descifrarea comportamentului colectiv, cum sunt formarea stolurilor, alunecarea maselor sau mișcarea materialelor active sintetice.
Concluzie
Studiul condus de Kenta Ishimoto nu doar că provoacă una dintre cele mai consacrate legi ale fizicii clasice, ci deschide noi perspective asupra materiei active și biologiei la scară micrometrică. Demonstrând că spermatozoizii și algele pot înota prin medii vâscoase fără a respecta în totalitate a treia lege a lui Newton, aceste rezultate ne încurajează să regândim modul în care viața acționează la scară mică și să inspirăm următoarea generație de inginerie biomimetică și robotică moale. Descoperirile evidențiază caracterul dinamic și inovator al cercetării științifice, care adesea scoate la lumină excepții fascinante acolo unde credeam că legile sunt universale.
Comentarii