İnsan spermleri, şaşırtıcı derecede yoğun akışkanlarda bile rahatlıkla hareket edebiliyor ve bunu yaparken görünüşe göre Newton'un üçüncü hareket yasasını ihlal ediyorlar. Bilim insanları, bu mikroskobik canlıların, teorik olarak hareketlerini engellemesi gereken maddeler içinde nasıl kayabildiğini anlamak için kapsamlı bir çalışma yürüttü. Kyoto Üniversitesi'nden matematik bilimci Kenta Ishimoto liderliğindeki ekip, sperm ve diğer mikroskobik biyolojik yüzücülerin hareketlerini inceledi.
Sir Isaac Newton'un 1686'da ortaya koyduğu hareket yasaları, fiziksel bir nesne ile üzerine etki eden kuvvetler arasındaki ilişkiyi basit prensiplerle açıklamayı amaçlıyordu. Ancak, bu prensiplerin, yapışkan sıvılarda kıvrılarak ilerleyen mikroskobik hücreler için her zaman geçerli olmayabileceği anlaşıldı.
Newton'un üçüncü yasası, özetle "her etkiye karşılık eşit ve zıt bir tepki vardır" şeklinde ifade edilir. Bu yasa, doğadaki simetriyi ve zıt kuvvetlerin birbirini dengelemesini temsil eder. Basit bir örnekle, aynı boyuttaki iki bilyenin çarpışması ve yuvarlanması, bu yasaya göre kuvvet aktarımı ve geri sekmeyle açıklanır.
Ancak doğa kaotik olabilir ve tüm fiziksel sistemler bu simetriye tabi olmayabilir. Kendi enerjilerini üreten kuş sürüleri veya akışkan içindeki parçacıklar gibi düzensiz sistemlerde, “karşılıklı olmayan etkileşimler” ortaya çıkar. Yüzebilen sperm hücreleri de bu kategoride yer alıyor.
Bu hareketli organizmalar, arkalarındaki hayvanlarla veya çevrelerindeki sıvılarla asimetrik etkileşimler sergileyerek hareket ederler. Bu durum, eşit ve zıt kuvvetlerin Newton'un üçüncü yasasından sapmasına olanak tanır. Kanat çırpışları veya kuyruk hareketleriyle kendi enerjilerini sisteme ekleyen bu canlılar, sistemi denge durumundan uzaklaştırır ve aynı kurallar geçerli olmaz.
Ekim 2023'te yayımlanan çalışmalarında Ishimoto ve arkadaşları, insan spermlerine ait deneysel verileri analiz etti ve ayrıca yeşil alg Chlamydomonas'ın hareketini modelledi. Her ikisi de hücre gövdelerinden çıkan ve ilerlemelerini sağlamak için şekil değiştiren ince, esnek kamçılar (flagella) kullanarak yüzer.
Yüksek viskoziteli sıvılar, tipik olarak bir kamçının enerjisini dağıtır ve bir sperm veya tek hücreli algin çok az hareket etmesini engeller. Ancak buna rağmen, esnek kamçılar bu hücreleri çevrelerinden bir tepki uyandırmadan ileriye taşıyabiliyor. Araştırmacılar, sperm kuyruklarının ve alg kamçılarının, bu esnek uzantıların çevreleyen akışkanlara çok fazla enerji kaybetmeden hareket etmelerini sağlayan bir tür "garip esneklik" özelliğine sahip olduğunu buldu.
Ancak bu garip esneklik özelliği, kamçıların dalgalı hareketinden kaynaklanan itiş gücünü tam olarak açıklayamadı. Bu nedenle araştırmacılar, modelleme çalışmalarından yola çıkarak kamçıların iç mekaniğini tanımlamak için yeni bir terim, yani "garip elastik modülü" türettiler.
Araştırmacılar, "çözülebilir basit modellerden, Chlamydomonas ve sperm hücrelerinin biyolojik kamçı dalga formlarına kadar, malzemenin içindeki yerel olmayan, karşılıklı olmayan etkileşimleri çözmek için garip bükülme modülünü inceledik" sonucuna vardı.
Bu bulgular, canlı malzemeleri taklit eden küçük, kendi kendini monte edebilen robotların tasarımına yardımcı olabilir. Ayrıca, bu modelleme yöntemleri, kolektif davranışın temel prensiplerini daha iyi anlamak için de kullanılabilir. Araştırma, PRX Life dergisinde yayımlandı.
