Wissenschaftler entdecken: Spermien umgehen fundamentale Physikgesetze

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 Studie konzentriert sich auf eine Eigenschaft, die als ungerade Elastizität bezeichnet wird.

Bei gewöhnlichen elastischen Materialien sind Kraft und Antwort reziprok: Wird das Material gebogen oder gedehnt, widerstand es 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, er 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. Das Team übertrug sein Modell auf Daten menschlicher Spermien und auf Chlamydomonas, eine Grünalge mit schlagenden Flagellen.

Technik und Auswirkungen

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. 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.

Was die Studie zeigt

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 Viscous Fluid", Clément Moreau und Kento Yasuda, 11. Oktober 2023, PRX Life. DOI: 10.1103/PRXLife.1.023002