“الحيوانات المنوية” تتحدى أحد قوانين الفيزياء الرئيسية!

تدفع الحيوانات المنوية البشرية نفسها عبر السوائل اللزجة باستخدام ذيولها التي تشبه السوط، في تحد لقانون نيوتن الثالث للحركة، وفقا لدراسة جديدة.

ودرس كينتا إيشيموتو، عالم الرياضيات في جامعة كيوتو، وزملاؤه التفاعلات غير المتبادلة في الحيوانات المنوية وغيرها من العناصر البيولوجية المجهرية السبّاحة، لمعرفة كيفية انزلاقها عبر المواد التي ينبغي، من الناحية النظرية، مقاومة حركتها.

وعندما ابتكر نيوتن قوانينه الشهيرة للحركة في عام 1686، سعى إلى شرح العلاقة بين الجسم المادي والقوى المؤثرة عليه باستخدام بعض المبادئ الدقيقة التي اتضح أنها لا تنطبق بالضرورة على الخلايا المجهرية التي تتلوى عبرها السوائل اللزجة.

ويمكن تلخيص قانون نيوتن الثالث على النحو التالي: “لكل فعل رد فعل مساو له في المقدار ومعاكس له في الاتجاه”. وهذا يدل على تناظر معين في الطبيعة حيث تعمل القوى المتعارضة ضد بعضها البعض. وفي أبسط مثال، يؤدي اصطدام قطعتين من الرخام متساويتين في الحجم أثناء تدحرجهما على الأرض، إلى نقل قوتهما والارتداد بناء على هذا القانون.

إلا أن الطبيعة فوضوية، وليست كل الأنظمة الفيزيائية مقيدة بهذه التناظرات.

ويظهر ما يسمى بالتفاعلات غير المتبادلة في أنظمة جامحة تتكون من أسراب الطيور، وجزيئات في السوائل، والحيوانات المنوية، حيث تظهر تفاعلات غير متماثلة مع الحيوانات خلفها أو مع السوائل التي تحيط بها، ما يشكل ثغرة لقوى متساوية ومعاكسة للتحايل على قانون نيوتن الثالث.

وحلل إيشيموتو وزملاؤه بيانات تجريبية عن الحيوانات المنوية البشرية، وقاموا أيضا بوضع نموذج لحركة الطحالب الخضراء، Chlamydomonas، حيث يسبح كلاهما باستخدام سوط رفيع ومرن يبرز من جسم الخلية ويتغير شكله أو يتشوه لدفع الخلايا إلى الأمام.

وعادة ما تعمل السوائل عالية اللزوجة على تبديد طاقة السوط، ما يمنع الحيوانات المنوية أو الطحالب وحيدة الخلية من التحرك كثيرا. ومع ذلك، بطريقة ما، يمكن للسوط المرن أن يدفع هذه الخلايا دون إثارة استجابة من البيئة المحيطة بها.

ووجد الباحثون أن ذيول الحيوانات المنوية وأسواط الطحالب تتمتع بـ “مرونة غريبة”، ما يسمح لهذه الزوائد المرنة بالتحرك دون فقدان الكثير من الطاقة للسائل المحيط.

لكن خاصية المرونة الغريبة هذه لم تفسر الدفع الناتج عن الحركة الموجية للسوط. لذلك، ومن دراسات النمذجة، اشتق الباحثون أيضا مصطلحا جديدا، وهو معامل المرونة الغريب، لوصف الميكانيكا الداخلية للسوط.

وخلص الباحثون إلى أنه “من النماذج البسيطة القابلة للحل إلى الأشكال الموجية السياطية البيولوجية لخلايا Chlamydomonas وخلايا الحيوانات المنوية، قمنا بدراسة معامل الانحناء الفردي لفك رموز التفاعلات الداخلية غير المتبادلة داخل المادة”.

ويضيف الفريق أن النتائج يمكن أن تساعد في تصميم روبوتات صغيرة ذاتية التجميع تحاكي المواد الحية، في حين يمكن استخدام أساليب النمذجة لفهم المبادئ الأساسية للسلوك الجماعي بشكل أفضل.

نشرت الدراسة في مجلة PRX Life.

المصدر: ساينس ألرت