Lidské spermie a některé mikroorganismy plavou tak, že deformují svá těla způsobem, který porušuje třetí Newtonův pohybový zákon – a my se blížíme k pochopení, jak to dělají. Tato zjištění by nakonec mohla inspirovat vědce k vývoji malých robotů, kteří při plavání budou taktéž porušovat tento zákon, informuje magazín New Scientist.
Kenta Ishimoto z Kjótské univerzity v Japonsku a jeho kolegové začali zkoumat mechaniku bez třetího Newtonova zákona. Zaměřili se na lidské spermie a řasy rodu Chlamydomonas (česky někdy pláštěnka nebo koulenka). Obě s pohybují pomocí bičíků – tenkých vláskovitých vláken, která vyčnívají z hlavního těla buňky. Výsledky svého bádání publikovali v odborném časopise APS PRX LIFE.
Co říká třetí Newtonův zákon?
Třetí Newtonův zákon, známý také jako zákon akce a reakce, říká, že pro každou akci existuje stejná a opačná reakce. Konkrétně, když jedno těleso vyvíjí sílu na druhé těleso, druhé těleso vyvíjí stejně velkou, ale opačně orientovanou sílu na první těleso. Třetí Newtonův zákon tak doslova tvrdí, že „Proti každé akci vždy působí stejná reakce; jinak: vzájemná působení dvou těles jsou vždy stejně velká a míří na opačné strany.“
Spermie porušují fyzikální zákony
Bičíky spermií a řas jsou pružné a mohou měnit tvar podle toho, jak reagují s tekutinou obklopující buňku. To pomáhá pohánět buňku vpřed takzvaným „nerecipročním“ způsobem, což v konečném důsledku znamená, že tyto buňky porušují třetí Newtonův zákon.
Podrobnosti tohoto procesu jsou však zatím nejasné. Vědci očekávali, že v mikroskopickém měřítku tekutina rozptýlí většinu energie buňky. To by jí mělo bránit v cestě na velkou vzdálenost bez ohledu na to, jak vehementně mává svým pružným bičíkem.
Aby vědci zjistili, jak se buňky dokážou pohybovat navzdory této zdánlivé překážce, analyzovali pohyb bičíků spermií a řas během jejich plavání. Zjistili, že bičíky mají neobvyklou vlastnost, tzv. „zvláštní“ („odd“) pružnost, která jim umožňuje vlnit se, aniž by ztrácely zbytečně mnoho energie v okolní tekutině.
Zvláštní modul pružnosti
Vědci kvantifikovali zvláštní pružnost buněk a dospěli k číslu, které označují jako „zvláštní modul pružnosti“. Čím je toto číslo vyšší, tím více se bičík může vlnit, aniž by okolní kapalina potlačila jeho pohyb. Díky tomu se buňka může pohybovat nerecipročně vpřed.
Clément Moreau z Kjótské univerzity, který se na studii také podílel, říká, že výpočet zvláštního modulu pružnosti pro mnoho různých mikroplavců by mohl vědcům pomoci klasifikovat je a zjistit, zda existují další vlastnosti, které jim pomáhají porušovat třetí Newtonův zákon.
„V současné době neznáme všechny mikroskopické procesy, které pomáhají drobným plavcům vzdorovat tomuto pohybovému zákonu,“ říká Piotr Surówka z Vratislavské univerzity vědy a techniky v Polsku. Podle něj by schopnost vypočítat zvláštní modul pružnosti a podobná čísla mohla pomoci vytvořit „katalog“ organismů, které jsou schopny nerecipročního pohybu.