Científicos observan espermatozoides desafiando una ley fundamental de la física.
Según un estudio reciente, los espermatozoides humanos usan sus delgadas colas para navegar a través de fluidos densos, lo que parece desafiar la tercera ley de movimiento de Newton. Esta investigación también examina los patrones de movimiento de estas células sexuales junto con algas unicelulares.
Explorando interacciones no recíprocas en nadadores microscópicos
Kenta Ishimoto, un científico matemático de la Universidad de Kioto, y su equipo exploraron las interacciones únicas y no recíprocas de los espermatozoides y otros nadadores microscópicos para entender cómo se mueven a través de sustancias que, en teoría, deberían resistir su movimiento.
Cuando Newton formuló sus famosas leyes del movimiento en 1686, su objetivo era aclarar la relación entre los objetos físicos y las fuerzas mediante principios sencillos, principios que no se aplican necesariamente a células diminutas moviéndose a través de fluidos espesos. La tercera ley de Newton, a menudo expresada como “para cada acción, hay una reacción igual y opuesta,” sugiere una simetría natural donde las fuerzas opuestas se contrarrestan. Un ejemplo sencillo es el choque de dos canicas de igual tamaño, que rebotan al rodar en el suelo conforme a esta ley.
La naturaleza es compleja, y no todos los sistemas físicos se adhieren estrictamente a estas simetrías. Las interacciones no recíprocas emergen en sistemas impredecibles, como bandadas de aves, partículas en fluidos y espermatozoides nadando.
Movimiento asimétrico y la excepción a la tercera ley de Newton
Estos agentes móviles se mueven de maneras que crean interacciones asimétricas con los animales a su alrededor o con los fluidos circundantes, formando una especie de excepción a la tercera ley de Newton. Dado que las aves y las células generan su propia energía —con cada aleteo o movimiento de cola agregando energía al sistema—, esto empuja el sistema lejos del equilibrio, haciendo que las reglas físicas estándar no se apliquen.
Además, en su estudio de octubre de 2023, Ishimoto y su equipo analizaron datos experimentales sobre espermatozoides humanos y modelaron el movimiento de las algas verdes, Chlamydomonas. Ambos se desplazan usando flagelos delgados y flexibles que se extienden desde el cuerpo celular, los cuales cambian de forma para impulsarlos hacia adelante.
Cómo los flagelos elásticos propulsan las células en fluidos viscosos
Sin embargo, los fluidos altamente viscosos absorberían gran parte de la energía de un flagelo, dificultando que los espermatozoides o las algas unicelulares se muevan de manera efectiva. Aun así, los flagelos elásticos de alguna manera impulsan estas células sin una pérdida significativa de energía en el fluido circundante.
Los investigadores descubrieron que las colas de los espermatozoides y los flagelos de las algas poseen una “elasticidad extraña” que permite a estas estructuras flexibles moverse con mínima disipación de energía. No obstante, esta elasticidad extraña por sí sola no explicaba completamente cómo el movimiento ondulante de los flagelos crea propulsión. A través de sus modelos, los investigadores identificaron un nuevo concepto: un “módulo elástico extraño”, que capta con mayor precisión la mecánica interna de los flagelos.
“Estudiando modelos resolubles y las formas ondulantes de flagelos biológicos de Chlamydomonas y de células de esperma, exploramos el módulo de flexión extraño para entender las interacciones no locales y no recíprocas dentro del material,” concluyeron los investigadores.
Para concluir, el equipo señaló que estos hallazgos podrían ayudar en el diseño de pequeños robots autoensamblables que imiten materiales vivos. Además, los métodos de modelado podrían proporcionar una comprensión más profunda de los principios fundamentales detrás del comportamiento colectivo.
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