«سلول‌های جنسی» بر خلاف قوانین نیوتن حرکت می‌کنند!

فرادید| کِنتا ایشیموتو، دانشمند ریاضیات دانشگاه کیوتو و همکارانش فعل و انفعالات مختلف در اسپرم و دیگر شناگران بیولوژیکی میکروسکوپی را بررسی کردند تا دریابند چگونه آن‌ها از میان موادی که از نظر تئوری باید در برابر حرکت آن‌ها مقاومت کنند، حرکت می‌کنند. 

به گزارش فرادید، سال ۱۶۸۶ وقتی قوانین حرکت در مغز نیوتون تکوین یافت، او سعی کرد رابطه بین یک جسم فیزیکی و نیروهای وارد بر آن را با چند اصل دقیق توضیح دهد؛ اما آنطور که معلوم شده، ظاهرا این قوانین برای سلول‌های میکروسکوپی در حال حرکت در مایعات چسبنده کاربرد ندارند. 

قانون سوم نیوتن را می‌توان اینطور خلاصه کرد: «برای هر عمل، یک واکنش برابر و مخالف وجود دارد.» این نشان‌دهنده تقارن خاصی در طبیعت است که در آن، نیروهای متضاد علیه هم عمل می‌کنند. در ساده‌ترین مثال، برخورد دو تیلۀ هم‌اندازه حین غلتیدن روی زمین باعث حرکت رو به عقب آن‌ها می‌شود. 

با این حال، طبیعت آشفته است و همه سیستم‌های فیزیکی به این تقارن محدود نمی‌شوند. فعل و انفعالات به اصطلاح غیرمتقابل در سیستم‌های سرکش متشکل از گله پرندگان، ذرات موجود در مایع و اسپرم‌های شناگر، ظاهر می‌شوند. 

این عوامل جنبنده به گونه‌ای حرکت می‌کنند که فعل و انفعالاتشان قابل مقایسه با حرکات اشیاء دیگر نیست و ظاهرا هیچ تقارنی با مایعاتی که آن‌ها را احاطه کرده نشان نمی‌دهند. به تعبیر ساده، انگار آن‌ها قانون سوم نیوتن را دور می‌زنند.

ایشیموتو و همکارانش داده‌های تجربی اسپرم انسان را تجزیه و تحلیل کردند و حرکت جلبک سبز کلامیدوموناس را مدل‌سازی کردند. هر دو با استفاده از تاژک‌های نازک و خمیده‌ای که از بدن سلولی بیرون زده و تغییر شکل داده یا بدشکل می‌شود، شنا می‌کنند تا سلول‌ها را به جلو هدایت کنند. 

مایعات بسیار چسبناک معمولاً انرژی تاژک را هدر می‌دهند و از حرکت زیاد اسپرم یا جلبک تک‌سلولی جلوگیری می‌کنند. با این حال، تاژک‌های قابل‌ارتجاع می‌توانند این سلول‌ها را بدون برانگیختن واکنش از محیط اطراف‌شان، به جلو ببرند. 

محققان دریافتند دم اسپرم و تاژک‌های جلبکی دارای «کشسانی عجیبی» هستند که به این زائده‌های انعطاف‌پذیر اجازه می‌دهد بدون از دست دادن انرژی زیاد در مایع اطراف خود بچرخند. 

اما این خاصیت ارتجاعی عجیب، پیش‌رانش ناشی از حرکت موج‌مانند تاژک را به طور کامل توضیح نمی‌دهد. از این رو، محققان از مطالعات مدل‌سازی خود، ضریب کشسانی جدیدی برای توصیف مکانیک داخلی تاژک‌ها به دست آوردند.

این یافته‌ها می‌تواند به طراحی ربات‌های کوچک و خودآرایی که از مواد زنده تقلید می‌کنند کمک کند، در حالی که از روش‌های مدل‌سازی می‌توان برای درک بهتر اصول اساسی رفتار جمعی استفاده کرد.

مترجم: زهرا ذوالقدر