Že od leta 1687, ko je Isaac Newton v svojem prelomnem delu Principia Mathematica utemeljil zakone gibanja, je v fiziki veljalo neizpodbitno pravilo: za vsako akcijo obstaja enaka in nasprotna reakcija. Tretji Newtonov zakon je temelj našega razumevanja vesolja – od trkov bilijardnih krogel do izstrelitev raket. Vendar pa nova študija, ki prihaja iz Japonske, razkriva, da narava na mikroskopski ravni ta pravila včasih preprosto ignorira.
Skupina matematikov in fizikov z Univerze v Kjotu je odkrila, da človeški spermiji in določene vrste zelenih alg pri plavanju skozi viskozne tekočine kršijo to temeljno načelo klasične fizike. Ugotovitve, objavljene v znanstveni reviji PRX Life, ponujajo nov vpogleda v biološko reprodukcijo in odpirajo vrata razvoju nove generacije mikroskopskih robotov.
Paradoks viskoznega okolja
Za mikroskopske plavalce, kot so spermiji, je voda gosta in lepljiva, podobno kot bi človek poskušal plavati v bazenu, napolnjenem z medom. V takšnem okolju bi moral upor tekočine hitro razpršiti energijo, ki jo ustvari biček, repu podobna struktura, ki poganja celico. Po standardnih fizikalnih zakonih bi moral takšen upor močno zavirati gibanje, saj bi se energija morala izgubiti v interakciji s tekočino.
Vendar pa so raziskovalci pod vodstvom dr. Kente Išimota opazili anomalijo. Spermiji in enocelične alge vrste Chlamydomonas se skozi te goste medije prebijajo s presenetljivo lahkoto in učinkovitostjo, ki teoretično ne bi smela biti mogoča, če bi zanje veljal strogi zakon akcije in reakcije.
Znanstveniki so analizirali gibanje spermijev in ugotovili, da se te biološke strukture ne obnašajo kot pasivni predmeti. Namesto tega izkoriščajo pojav nenavadne elastičnosti.
Kršitev simetrije
V klasični fiziki so elastični sistemi običajno konservativni – energija, vložena v deformacijo materiala, se shrani in nato sprosti. Vendar pa spermiji niso pasivni elastični trakovi, pač pa so aktivna snov. To pomeni, da imajo notranje mehanizme za generiranje lastne energije, kar jim omogoča nenehno pretvarjanje kemične energije v mehansko delo.
Išimotova ekipa je s pomočjo kompleksnega matematičnega modeliranja ugotovila, da bički med valovanjem ne sprožijo simetričnega odziva v tekočini, kot bi narekoval tretji Newtonov zakon. Namesto tega se znotraj bička dogajajo drugačne interakcije. To celici omogoča, da ustvarja pogonsko silo brez znatne izgube energije v okolico, kar ji omogoča »goljufanje« fizikalnih zakonov, ki veljajo za makroskopske objekte.
Od biologije do robotike
Odkritje presega zgolj akademsko radovednost o človeški plodnosti. Razumevanje, kako biološki organizmi zaobidejo zakon akcije in reakcije, ima lahko daljnosežne posledice za razvoj tehnologije.
Znanstveniki namreč že dolgo iščejo načine za izdelavo učinkovitih mikrobotov, ki bi lahko potovali po človeškem telesu – na primer skozi krvni obtok ali prebavila – in dostavljali zdravila neposredno do obolelih tkiv. Doslej je bila glavna ovira prav viskoznost telesnih tekočin, ki majhnim napravam onemogoča učinkovito premikanje.
Z imitacijo elastičnosti spermijev in alg bi inženirji lahko zasnovali mehke prožne robote, ki ne potrebujejo močnih motorjev za premagovanje upora, temveč se gibljejo z izkoriščanjem lastne deformacije.
»Študija metod plavanja teh mikroskopskih organizmov nam omogoča vpogled v fiziko neuravnoteženih sistemov, kar je ključno za prihodnost mikrotehnologije,« so v zaključku poudarili raziskovalci iz Kjota.
