اكتشف العلماء أن الحيوانات المنوية تبدو وكأنها تتجاوز القانون الأساسي للفيزياء

تتحرك خلايا الحيوانات المنوية عبر السوائل التي من المفترض أن توقفها على الفور تقريبًا، لكن الأبحاث الجديدة تشير إلى أنها تنجح من خلال استغلال خصائص غير عادية للمادة الحية النشطة.

ولا ينبغي للخلية المنوية أن تكون سباحاً ماهراً.

على المقاييس المجهرية، لا يتصرف السائل مثل الماء في حوض السباحة. إنه يعمل كحاجز سميك، حيث يوقف الحركة على الفور تقريبًا. ومع ذلك، لا تزال الخلايا المنوية تتقدم للأمام بذيول مموجة، حتى من خلال السوائل التي يجب أن تقاومها بقوة.

تشير دراسة أجراها عالم الرياضيات بجامعة كيوتو كينتا إيشيموتو إلى أن الحيوانات المنوية تحقق ذلك من خلال استغلال سمة غريبة للمادة الحية. يبدو أن حركتهم تتجنب تماثل الفعل ورد الفعل المعتاد الموصوف في قانون نيوتن الثالث.

غالبًا ما يتم تلخيص قانون نيوتن الثالث على النحو التالي: “لكل فعل رد فعل مساوٍ له في المقدار ومعاكس له في الاتجاه”. يعمل هذا المبدأ بشكل جيد مع الأشياء اليومية، مثل اصطدام قطعتين من الرخام وارتدادهما عن بعضهما البعض. لكن الحيوانات المنوية هي أنظمة نشطة. إنهم يضيفون الطاقة باستمرار إلى حركتهم.

وكما كتب الباحثون، “قد يتم انتهاك قانون نيوتن الثالث عندما نعتبره نظامًا مفتوحًا، حيث يتم حقن طاقته الميكانيكية من وحدات نشطة مجهرية”.

بمعنى آخر، الحيوانات المنوية لا تخرق الفيزياء. إنها تكشف عما يحدث عندما تضخ الأنظمة الحية الطاقة إلى محيطها من الداخل.

لماذا يواجه السباحون الصغار نوعًا مختلفًا من الفيزياء؟

بالنسبة للحيوانات المنوية، لا يوجد انزلاق بين السكتات الدماغية. في نطاقها، يكون القصور الذاتي غير ذي صلة تقريبًا وتهيمن اللزوجة. إذا توقف الذيل عن الضرب، تتوقف الخلية عن الحركة على الفور تقريبًا.

وهذا يخلق مشكلة تعرف باسم نظرية الإسكالوب. لا يستطيع السباح المجهري التحرك عبر سائل لزج بمجرد تكرار الحركة ثم عكسها. لإحراز تقدم، فإنه يحتاج إلى السكتة الدماغية التي لا يمكن عكسها تماما.

تحل الحيوانات المنوية هذه المشكلة باستخدام السوط، وهي ذيول رقيقة ومرنة ترسل موجات متنقلة على طولها. تستخدم الطحالب الخضراء مثل Chlamydomonas هياكل مماثلة للسباحة.

يتم تشغيل هذه الموجات بواسطة محركات جزيئية داخل السوط. نظرًا لأن هذه المحركات تضخ الطاقة إلى الذيل، فإنه يتصرف بشكل أقل مثل الزنبرك السلبي وأكثر مثل مادة نشطة.

المرونة “الغريبة” وراء الحركة

تركز الدراسة على خاصية تسمى المرونة الفردية. في المواد المرنة العادية، تكون القوة والاستجابة متبادلتين. قم بثنيها أو تمديدها، فتدفعها للخلف بطريقة يمكن التنبؤ بها.

تسمح المرونة الفردية بنوع مختلف من الاستجابة. في المواد النشطة، يمكن لمصادر الطاقة الداخلية أن تنتج قوى لا تعكس ببساطة القوى المؤثرة عليها. يمكن أن يساعد هذا السلوك غير المتبادل في الحفاظ على الموجات، حتى عندما يستنزف السائل السميك الطاقة من الحركة.

لوصف هذه العملية، طور الباحثون إطارًا يسمى الديناميكا المرنة المرنة. ويقولون إنها “توفر إطارًا موحدًا لدراسة التفاعلات غير المحلية وغير المتبادلة لمادة مرنة في سائل لزج”.

وقد ساعدهم هذا النهج على فصل ما يفعله السائل المحيط عما يحدث داخل السوط. هذا التمييز مهم لأن السحب يمكن أن يخفي الميكانيكا الداخلية التي تولد الموجة بالفعل.

قدم الفريق أيضًا معاملًا مرنًا فرديًا، وهو أداة رياضية للتمييز بين السلوك المرن العادي والقوى النشطة غير المتبادلة التي تحرك الحركة.

ما وجده الباحثون

طبق الفريق نموذجه على بيانات الحيوانات المنوية البشرية وعلى Chlamydomonas، وهي طحالب خضراء ذات أسواط نابضة. تشير النتائج إلى أن هؤلاء السباحين يستخدمون النشاط الداخلي لإنشاء موجات متنقلة من خلال ذيولهم المرنة.

في نموذج الحيوانات المنوية البشرية، ساعد النشاط الداخلي في توليد الموجة السوطية، في حين يبدو أن المرونة السلبية تعمل على استقرارها واسترخائها. في الكلاميدوموناس، تطابقت الاستجابة غير المتبادلة مع النمط الموجي لضربات السوط، مما يشير إلى أن المرونة الفردية تساعد في تعزيز الحركة.

وخلص الباحثون إلى أن إطارهم يمكن أن يكشف عن “تفاعلات داخلية غير محلية وغير متبادلة داخل المادة”.

ببساطة، ذيل الحيوانات المنوية ليس مجرد سوط صغير. إنه هيكل مستهلك للطاقة، وتساعده ميكانيكاها الداخلية على التحرك عبر عالم قد تفشل فيه الحركة العادية ذهابًا وإيابًا.

يمكن أن تساعد النتائج العلماء على فهم كيفية تحرك الأنظمة الحية، من الخلايا المفردة إلى مجموعات من السباحين المنسقين. ويمكنهم أيضًا توجيه تصميم الروبوتات الصغيرة ذاتية التجميع، أو السباحات الدقيقة الاصطناعية، أو المواد اللينة التي تحاكي الحركة الحية.

المرجع: “الديناميكا المائية المرنة الغريبة: مادة حية غير متبادلة في سائل لزج” بقلم كينتا إيشيموتو، وكليمنت مورو، وكينتو ياسودا، 11 أكتوبر 2023، حياة بي آر إكس.
دوى: 10.1103/PRXLife.1.023002

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.