Lidské spermie svými bičíkovými ocasy proplouvají kapalinami tak, že porušují třetí Newtonův pohybový zákon. Vědci popsali, jak to dokážou.

Matematik Kenta Išimoto se svými spolupracovníky z Kjótské univerzity zkoumal pohyb spermií a dalších mikroskopických biologických plavců, aby zjistil, jak klouzají skrz látky, které by měly bránit jejich pohybu.

Ve studii publikované v odborném časopise PRX Life Kentův tým dospěl k závěru, že za touto výjimečnou schopností je zvláštní elastický pohyb bičíku. Díky němu spermie dokážou obejít Newtonův třetí pohybový zákon.

Newton by žasl

Třetí Newtonův pohybový zákon nás učí, že působení těles je vždy vzájemné. Podle jeho definice „každá akce vyvolává stejnou reakci opačného směru“. Jinými slovy, vzájemná silová působení dvou těles jsou stejně veliká a opačně orientovaná.

V nejjednodušším příkladu zákona se dvě stejně velké kuličky při kutálení po zemi srazí, přenesou si sílu a odrazí se od sebe.

Pohyb spermií a jednobuněčných řas ve viskózní kapalině tento zákon zdánlivě porušuje. Newtona však omlouvá, že když v roce 1686 formuloval pohybové zákony, neměl o mikroskopickém světě představu. V něm funguje fyzika trochu jinak

Projevuje se to například u plovoucích spermií nebo částeček pohybujících se chaoticky v plazmatu, tedy v „nerecipročních interakcich v neukázněných systémech“. Ty se mohou objevit nejen v mikro-, ale částečně také v makrosvětě, například u hejna ptáků.

Pro zmíněné výjimky platí, že se jedinci určitého celku pohybují způsobem, který vykazuje asymetrické vzájemné působení s jedinci za nimi nebo s tekutinami, které je obklopují. Vytvářejí tak prostor pro stejné a opačné síly, které zdánlivě obcházejí třetí Newtonův zákon. Do systému se přidává s každým pohybem bičíku další energie a výsledkem není rovnovážný stav.

‚Zázračné‘ bičíky

Tým Kenta Išimoty, zkoumal tento typ vzájemného působení u lidských spermií a zelených řas rodu Chlamydomonas (česky pláštěnka). Obě se pohybují pomocí bičíků – tenkých vláskovitých vláken, která vyčnívají z buňky a mění tvar, aby poháněly buňky vpřed.

Vysoce viskózní, tedy „mazlavé“, tekutiny by obvykle rozptýlily energii bičíku a zabránily spermii či jednobuněčné řase v pohybu. Jenže pružné bičíky dokážou buňky pohánět, aniž by vyvolaly silnou reakci okolí.

Detailní analýzou pohybu buněk vědci zjistili, že bičíky mají „zvláštní pružnost“ („odd elasticity“). Jejich vlnivý pohyb opisující pohyb vývrtky (popsáno tady) jim umožňuje „odvrátit reakci“, a tak zbytečně neztrácet energii v okolní tekutině. Díky tomu se buňka může pohybovat dopředu.

Vědci vyhodnocovali zvláštní pružnost buněk a dospěli k číslu, které označují za „zvláštní modul pružnosti“. Čím je číslo modulu vyšší, tím víc se bičík může vlnit, aniž by okolní kapalina potlačila jeho pohyb.

Inspirace pro mikroskopické roboty?

Kromě detailnějšího poznání, jak se mikroskopičtí živočichové pohybují v kapalinách, může studie přinést i nové nápady v designu mikroskopické robotiky.

Výzkumníci jsou přesvědčeni, že odhalení tajů jejich pohybu pomůže návrhu malých samoskladných robotů, které napodobují živé materiály. Jejich modely by také mohly být využity k lepšímu pochopení principů kolektivního chování.