Kaip mikroskopiniame mastelyje keičiasi fizikos dėsniai: spermos ir dumblių judėjimo paslaptys

Naujai pažvelgus į fizikos dėsnius mikropasaulyje

Daugiau nei tris šimtmečius Niutono judėjimo dėsniai buvo pagrindinė klasikinės fizikos ašis, aiškinanti, kaip objektai elgiasi esant įvairioms jėgoms. Tačiau naujausi Kioto universiteto matematinio mokslininko Kenta Ishimoto vadovaujami tyrimai atskleidė, kad kai kurios mikroskopinės gyvybės formos – pavyzdžiui, žmogaus spermatozoidai – esant labai klampiems skysčiams, tarytum išvengia šių taisyklių. 2023 m. spalio mėnesį paskelbtas tyrimas atskleidžia intriguojančių detalių apie spermos judrumo mechaniką ir meta iššūkį mūsų supratimui apie gamtos fundamentalius dėsnius.

Kodėl spermos judėjimas kelia fizikos galvosūkių

Pagrindinis šio reiškinio akcentas – Niutono trečiasis judėjimo dėsnis: „Kiekvienam veiksmui visada yra lygus ir priešingas atoveiksmis.“ Šis dėsnis apibūdina kasdienes situacijas, kaip biliardo kamuoliukų susidūrimas. Tačiau žmogaus spermatozoidams plaukiant tirštu, klampiu aplinkoje, judėjimas vyksta stebėtinai laisvai – nors tikėtasi, kad tokie skysčiai turėtų stipriai apsunkinti judesius.

Toks paslaptingas elgesys nėra būdingas tik spermatozoidams. Tai priklauso platesnei „ne-reciprocalinių sąveikų“ sistemų kategorijai. Panašių judėjimo bruožų randama paukščių būriuose ir dalelių srautų turbulencijoje, kur veiksmo ir atoveiksmio simetrija nebegalioja. Biologiniai mikroorganizmai, tokie kaip spermatozoidai ar žalioji dumblė Chlamydomonas, geba patys generuoti energiją, įnešdami judesį į savo aplinką ir taip nutoldami nuo fizikinės pusiausvyros sąlygų. Tokiais atvejais Niutono simetrija gali subyrėti, leidžiant pasireikšti judėjimui, kurį sunku paaiškinti klasikinės mechanikos principais.

Spermos ir dumblių plaukimo mechanizmų tyrimas

Norėdami išspręsti šią mįslę, dr. Ishimoto su kolegomis tyrinėjo tiek eksperimentinius žmogaus spermatozoidų duomenis, tiek žaliųjų dumblių Chlamydomonas matematinius modelius. Abu organizmai juda naudojant ilgus, lankstus žiuželius – flageles, išsikišančias iš ląstelės kūno. Šioms flagelėms banguojant, jos stumia ląstelę per klampią terpę.

Paprastai klampioje terpėje objektas greitai praranda energiją, todėl buvo tikėtasi, kad spermos ar Chlamydomonas žiuželiai turėtų smarkiai priešintis judėjimui. Įdomu tai, jog mokslininkai nustatė, kad flagelės pasižymi unikaliu medžiagos bruožu, vadinamu „keista elastingumu“ (odd elasticity). Jis leidžia žiuželiams efektyviai banguoti ir išjudinti ląstelę, minimizuojant energijos nuostolius supančiai aplinkai.

Nors šis atradimas buvo svarbus, vien keistas elastingumas nepilnai paaiškino aukštą judėjimo efektyvumą. Patobulinti kompiuteriniai modeliai leido tyrėjams įvesti naują rodiklį – „keisto elastingumo modulius“ (odd elastic modulus). Šis parametras tiksliau apibrėžia vidinius mechanizmus, leidžiančius flagelėms generuoti neatsukamuosius judesius ir labai efektyviai perduoti judėjimą per klampią terpę.

Tyrimo autoriai išreiškė: „Nuo paprastų matematiškai išsprendžiamų modelių iki biologinių flagelių bangų, tiek Chlamydomonas, tiek spermos ląstelėse, mes tyrėme keistojo lenkimo modulio įtaką, siekdami iššifruoti ne-lokalizuotas, neatsukamąsias vidines sąveikas.“ Šie rezultatai iš esmės plečia mūsų supratimą, kaip gyvybė orientuojasi sudėtingoje mikropasaulio aplinkoje.

Plačiau aprėpiama reikšmė ir naujosios technologijos

Šio tyrimo įžvalgos svarbios ne tik biologijai. Atvėrus „mikromastelio judėjimo fizikos“ paslaptis, galima projektuoti biomimetinius mikro-robotus, gebančius patys jungtis ir judėti sudėtingomis klampiomis terpėmis, imituodami gyvų ląstelių judrumą. Tokios technologijos gali reikšmingai pakeisti tikslingą vaistų tiekimą, stebėseną aplinkai ar minkštąją robotiką. Be to, šio tyrimo matematiniai pagrindai gali būti pritaikomi interpretuojant kolektyvinius reiškinius – būriavimąsi, spiečių susiformavimą ar net aktyvių medžiagų judėjimą.

Išvados

Kentos Ishimoto ir jo komandos atliktas tyrimas ne tik kvestionuoja vieną seniausių klasikinės fizikos dėsnių, bet ir atveria naujas perspektyvas aktyviosios medžiagos pasaulyje. Parodydami, kaip spermatozoidai ir dumbliai keliauja per klampius skysčius nepaisydami Niutono trečiojo dėsnio, šie atradimai kviečia permąstyti, kaip gyvybė iš tiesų veikia mikroskopiniu mastu – ir įkvėpia naujos kartos biomimetinių technologijų bei minkštosios robotikos sprendimus. Šios dinamiškos įžvalgos pabrėžia nuolat besikeičiančią mokslo esmę ir azartą ten, kur, atrodytų, universalios taisyklės įgyja įspūdingų išimčių.