Žmogaus spermatozoidai stebėtinai lengvai juda net per labai klampius skysčius – ir, panašu, tai darydami tarsi „apeina“ Niutono trečiąjį dėsnį.

Siekdama suprasti, kaip šios ląstelės prasiskverbia per medžiagas, kurios teoriškai turėtų smarkiai priešintis jų judėjimui, mokslininkų grupė, vadovaujama matematikos mokslininko Kentos Ishimoto iš Kioto universiteto, prieš kelerius metus tyrė spermatozoidų ir kitų mikroskopinių „plaukikų“ judėjimo mechaniką.

Dar 1686 metais Izaokas Niutonas suformulavo judėjimo dėsnius, kuriais aiškinamas ryšys tarp kūno ir jam veikiančių jėgų. Vis dėlto paaiškėjo, kad šios taisyklės nebūtinai tiesiogiai tinka mikroskopinėms ląstelėms, besirangančioms per „lipnius“ skysčius.

Niutono trečiasis dėsnis dažnai apibendrinamas taip: kiekvienam veiksmui yra lygus ir priešingas atoveiksmis. Kitaip tariant, gamtoje veikia tam tikra simetrija – priešingos jėgos viena kitą atsveria.

Paprastame pavyzdyje du vienodo dydžio rutuliukai, susidūrę riedėdami paviršiumi, perduoda jėgą ir atšoka taip, kaip numato šis dėsnis. Tačiau realiose sistemose ne viskas tokia tvarkinga: dalis fizikinių reiškinių nėra griežtai apriboti tokiomis simetrijomis.

Mokslininkai atkreipia dėmesį į vadinamąsias nereciprokines sąveikas – situacijas, kai „veiksmas“ ir „atoveiksmis“ neatsiranda kaip simetriška pora. Tokios sąveikos pasitaiko chaotiškose sistemose, pavyzdžiui, paukščių būriuose, dalelėse skysčiuose ir, kaip rodo duomenys, plaukiančiuose spermatozoiduose.

Šie judrūs „agentai“ juda taip, kad jų sąveika su aplinka ar kitais organizmais tampa asimetriška, ir tai sudaro savotišką spragą, leidžiančią išvengti įprasto „lygaus ir priešingo“ atsako.

Vienas iš paaiškinimų – tai, kad paukščiai ir ląstelės patys generuoja energiją. Kiekvienas sparnų mostas ar uodegėlės judesys į sistemą įneša papildomos energijos, todėl ji atsiduria toli nuo pusiausvyros būsenos, o tuomet įprastos taisyklės ne visuomet veikia taip, kaip esame įpratę makropasaulyje.

2023 metų spalį paskelbtame tyrime K. Ishimoto ir kolegos analizavo eksperimentinius žmogaus spermatozoidų duomenis ir taip pat modeliuodami nagrinėjo žaliųjų dumblių „Chlamydomonas“ judėjimą.

Tiek spermatozoidai, tiek šie vienaląsčiai dumbliai plaukia naudodami plonas, lanksčias žiuželes, kurios išsikiša iš ląstelės kūno ir keisdamos formą stumia ląstelę į priekį.

Įprastai labai klampūs skysčiai turėtų „išsklaidyti“ žiuželės energiją, todėl spermatozoidas ar vienaląstis dumblis turėtų beveik nejudėti. Tačiau, kaip matyti, elastingos žiuželės vis tiek sugeba stumti ląsteles pirmyn, tarsi nesukeldamos tokio aplinkos „atsako“, kokio būtų tikimasi.

Tyrėjai nustatė, kad spermatozoidų uodegėlės ir dumblių žiuželės pasižymi vadinamuoju keistu, arba neįprastu, elastingumu. Būtent ši savybė leidžia lanksčioms struktūroms judėti neprarandant daug energijos aplinkiniame skystyje.

Vis dėlto vien „keisto elastingumo“ nepakako iki galo paaiškinti, kaip bangomis sklindantis žiuželės judesys sukuria stūmą į priekį. Todėl modeliuodami mokslininkai įvedė ir papildomą sąvoką – keistąjį elastingumo modulį, skirtą aprašyti vidinei žiuželės mechanikai.

„Nuo paprastų, išsprendžiamų modelių iki biologinių „Chlamydomonas“ ir spermatozoidų žiuželių banginių formų mes tyrėme keistąjį lenkimo modulį, kad iššifruotume nelokalines, nereciprokines vidines sąveikas medžiagoje“, – savo išvadose teigė tyrėjai.

Mokslininkų teigimu, šios įžvalgos gali būti naudingos kuriant mažus, saviorganizuojančius robotus, imituojančius gyvąsias medžiagas. Be to, jų taikyti modeliavimo metodai gali padėti geriau suprasti kolektyvinio elgesio principus ir mechanizmus, kurie išryškėja sudėtingose, nuo pusiausvyros nutolusiose sistemose.