Wissenschaftler entdecken: Spermien umgehen fundamentale Physikgesetze

Eine Ishimoto der Universität Kyoto geleitete Studie legt nahe, dass Spermien dies durch die Ausnutzung einer seltsamen Eigenschaft lebender Materie bewerkstelligen. Ihre Bewegung scheint die übliche Symmetrie umgehen, wie sie im dritten Newtonschen Gesetz beschrieben wird.

Das dritte Newtonsche Gesetz wird oft zusammengefasst als: „Für jede Aktion gibt es eine gleich große und entgegengesetzte Reaktion." Dieses Prinzip funktioniert gut für alltägliche Objekte, wie etwa zwei Kugeln, die kollidieren und voneinander abprallen. Spermien hingegen sind aktive Systeme; sie setzen ständig Energie in ihre eigene Bewegung ein.

Wie die Forscher schreiben, „kann das dritte Newtonsche Gesetz verletzt werden, wenn man es als offenes System betrachtet, dessen mechanische Energie ührt wird." Mit anderen Worten: Spermien verletzen keine physikalischen Gesetze. Sie offenbaren lediglich, was passiert, wenn lebende Systeme Energie Umgebung pumpen.

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Warum kleine Schwimmer einer anderen Art: Für Spermien gibt es kein Gleiten zwischen den Schlägen. Auf ihrer Skala ist die Trägheit nahezu irrelevant, und die Viskosität dominiert. Wenn der Schwanz aufhört zu schlagen, hört die Zelle fast sofort auf, sich zu bewegen.

Dies führt zu einem Problem, das als Scallop-Theorem bekannt ist: Ein mikroskopischer Schwimmer kann sich in einem viskosen Fluid nicht bewegen, indem er einfach eine Bewegung wiederholt und dann umkehrt. Fortschritte zu erzielen, benötigt er einen Schlag, der nicht perfekt reversibel ist.

Spermien lösen dieses Problem mit Flagellen, den dünnen, flexiblen Schwänzen, die sich entlang ihrer Länge ausbreitende Wellen erzeugen. Grünalgen wie Chlamydomonas nutzen ähnliche Strukturen zum Schwimmen. Diese Wellen werden durch molekulare Motoren Geißelinneren angetrieben.

Was die Studie zeigt

Da diese Motoren Energie in den Schwanz einspeisen, verhält er sich weniger wie ein passiver Federkörper und mehr wie ein aktives Material. Die „ungerade" Elastizität hinter der Bewegung Die Studie konzentriert sich auf eine Eigenschaft, die als ungerade Elastizität bezeichnet wird.

Bei gewöhnlichen elastischen Materialien sind Kraft und Antwort reziprok: Wird sie gebogen oder gedehnt, widerstehen sie auf vorhersagbare Weise. Ungerade Elastizität ermöglicht eine andere Art können interne Energiequellen Kräfte erzeugen, die nicht einfach die auf sie wirkenden Kräfte widerspiegeln.

Dieses nicht-reziproke Verhalten kann dazu beitragen, Wellen aufrechtzuerhalten, selbst wenn ein dickes Fluid Energie aus der Bewegung entzieht. Um diesen Prozess zu beschreiben, haben die Forscher einen Rahmen namens ungerade Elastohydrodynamik entwickelt.

Technik, Energie und Einsatz

Man sagt, es biete einen einheitlichen Rahmen zur Untersuchung nichtlokaler, nicht-reziproker Wechselwirkungen eines elastischen Materials in einer viskosen Flüssigkeit. Dieser Ansatz half den Forschenden, die Einflüsse der umgebenden Flüssigkeit ängen innerhalb des Flagellums zu trennen.

Diese Unterscheidung ist entscheidend, da der Widerstand die internen Mechanismen, die tatsächlich die Welle erzeugen, verbergen kann.

Zudem führten die Forscher einen ungeraden Elastizitätsmodul ein, ein mathematisches Werkzeug zur Unterscheidung zwischen gewöhnlichem elastischem Verhalten und den aktiven, nicht-reziproken Kräften, die die Bewegung antreiben.

Technik und Auswirkungen

Was die Forscher fanden: Das Team übertrug sein Modell auf Daten menschlicher Spermien und auf Chlamydomonas, eine Grünalge mit schlagenden Flagellen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass diese Schwimmer interne Aktivität nutzen, um durch ihre flexiblen Schwänze laufende Wellen zu erzeugen.

Modell menschlicher Spermien trug die interne Aktivität zur Erzeugung der Flagellenwelle bei, während die passive Elastizität diese zu stabilisieren und zu entspannen schien. Bei Chlamydomonas entspricht die nicht-reziproke Reaktion dem Wellenmuster des Flagellen-Schlags, was darauf hindeutet, dass ungerade Elastizität die Bewegung antreibt.

Die Forscher schlossen, dass ihr Rahmenwerk „nichtlokale, nicht-reziproke innere Wechselwirkungen innerhalb des Materials" aufdecken kann. Vereinfacht ausgedrückt ist ein Schwanz eines Spermiums nicht nur ein winziger Peitschenstrich.

Was die Studie zeigt

Es handelt sich um eine energieverbrauchende Struktur, deren interne Mechanik es ermöglicht, sich in einer Umgebung fortzubewegen, in der eine gewöhnliche hin-und-her-Bewegung versagen würde. Die Ergebnisse könnten Wissenschaftlern helfen zu verstehen, wie lebende Systeme sich bewegen – Gruppen koordinierter Schwimmer.

Sie könnten zudem die Entwicklung winziger selbstorganisierender Roboter, künstlicher Mikroschwimmer oder weicher Materialien leiten, die lebende Bewegung nachahmen. Referenz: „Odd Elastohydrodynamics: Non-Reciprocal Living Material in Viscous Fluid", Clément Moreau und Kento Yasuda, 11. Oktober 2023, PRX Life. DOI: 10.1103/PRXLife.1.023002