بازنگری قوانین فیزیک در مقیاس میکروسکوپی: حرکت اسپرم و شکستن قانون سوم نیوتن

بازنگری قوانین فیزیک در دنیای میکروسکوپی

برای بیش از سه قرن، قوانین حرکت نیوتن پایه و اساس فیزیک کلاسیک را تشکیل داده‌اند و رفتار اجسام تحت نیروهای مختلف را توضیح داده‌اند. اما تحقیقات جدید و نوآورانه به سرپرستی دکتر کنتا ایشیموتو از دانشگاه کیوتو نشان داده است که برخی از موجودات میکروسکوپی—مانند اسپرم انسان—هنگام حرکت در سیالات بسیار ویسکوز، ظاهراً از این قوانین سرپیچی می‌کنند. این مطالعه که در اکتبر ۲۰۲۳ منتشر شد، جزئیات جالبی در مورد مکانیک حرکت اسپرم ارائه می‌دهد و درک ما از قوانین بنیادی طبیعت را به چالش می‌کشد.

چرا حرکت اسپرم یک معمای فیزیکی است؟

در قلب این پدیده، قانون سوم نیوتن قرار دارد که بیان می‌کند: «برای هر کنشی، واکنشی برابر و مخالف وجود دارد.» این قانون رویدادهای آشنایی مانند برخورد دو توپ بیلیارد را توضیح می‌دهد. با این حال، هنگامی که سلول‌های اسپرم انسان در محیط‌های چسبناک و غلیظ شنا می‌کنند، به طرز شگفت‌آوری بدون مانع جدی حرکت می‌کنند—در حالی که انتظار می‌رود این نوع سیالات حرکت آن‌ها را شدیداً کند کند.

این حرکت عجیب و پیچیده تنها به اسپرم محدود نمی‌شود، بلکه بخشی از دسته بزرگتری از سیستم‌ها به نام «برهمکنش‌های غیرمتقابل» است. رفتارهای مشابه را می‌توان در دسته‌های پرندگان یا جریان‌های متلاطم ذرات نیز مشاهده کرد؛ جایی که تقارن کنش و واکنش می‌شکند. برخلاف ذرات بی‌جان، شناگران زیستی مانند اسپرم و جلبک‌های سبز انرژی لازم برای حرکت را خودشان تولید می‌کنند و این انرژی را به محیط وارد می‌کنند، به همین دلیل سیستم از وضعیت تعادل دور می‌شود. در چنین شرایطی قانون نیوتن از هم گسیخته می‌شود و حرکت‌هایی به وجود می‌آید که با مکانیک کلاسیک قابل توضیح نیستند.

بررسی مکانیزم حرکت اسپرم و جلبک

برای کشف این راز، دکتر ایشیموتو و همکارانش هم داده‌های تجربی حرکت اسپرم انسان و هم مدل‌های ریاضی جلبک سبز کلرلا یا کلامیدوموناس را تحلیل کردند. هر دو این موجودات با استفاده از ساختارهای بلند و شلاق‌مانند به نام فلاژلا حرکت می‌کنند—زائده‌هایی انعطاف‌پذیر که از بدنه سلول بیرون زده‌اند. موج‌دار شدن این فلاژلا سلول‌ها را در محیط اطراف به جلو سوق می‌دهد.

معمولاً سیالات ویسکوز انرژی حرکت را جذب می‌کنند؛ بنابراین انتظار می‌رود دُم اسپرم یا فلاژل جلبک برای حرکت با دشواری روبه‌رو شود. اما این پژوهش آشکار کرد که فلاژلا دارای ویژگی منحصربه‌فردی به نام «الاستیسیته عجییب» یا odd elasticity هستند. این خاصیت باعث می‌شود دم‌ها خم و موج‌دار شوند و با حداقل اتلاف انرژی، سلول را به جلو هدایت کنند.

با این وجود، تنها خاصیت الاستیسیته عجیب نمی‌توانست به طور کامل نیروی پیش‌برنده فلاژلا را توضیح دهد. محققان با ایجاد مدل‌های محاسباتی دقیق‌تر، پارامتر جدیدی به نام «مدول الاستیک عجیب» یا odd elastic modulus را معرفی کردند که توضیح دقیق‌تری از دینامیک داخلی این زائده‌ها ـ و انتقال حرکت غیرمتقابل و کارآمد آنها ـ ارائه می‌دهد.

همان‌طور که پژوهشگران اشاره کردند: «از مدل‌های ساده قابل حل تا الگوهای موجی فلاژلا در کلامیدوموناس و سلول اسپرم، ما مدول خمشی عجیب را برای رمزگشایی از برهم‌کنش‌های داخلی غیرمحلی و غیرمتقابل بررسی کردیم.» این یافته‌ها درک ما را از نحوه حرکت موجودات زنده در فضاهای پیچیده میکروسکوپی متحول می‌کند.

کاربردهای گسترده‌تر و فناوری‌های نوظهور

پیامدهای این اکتشافات فراتر از زیست‌شناسی است. با درک فیزیک حرکت میکروسکوپی، دانشمندان می‌توانند ربات‌های زیست‌الهام یا میکروربات‌هایی طراحی کنند که در محیط‌های پیچیده همچون سلول‌های زنده حرکت می‌کنند. چنین فناوری‌هایی پتانسیل دارد در حوزه ارسال هدفمند دارو، پایش محیط زیست و روباتیک نرم انقلابی ایجاد کند. همچنین، مدل‌های ریاضی توسعه‌یافته در این مطالعه می‌توانند به تفسیر بهتر رفتار جمعی مانند ازدحام، پرواز دسته‌جمعی و حتی حرکت مواد فعال مصنوعی کمک نمایند.

جمع‌بندی

تحقیقات به رهبری کنتا ایشیموتو و تیم او نه تنها یکی از اصلی‌ترین قوانین فیزیک کلاسیک را به چالش می‌کشد، بلکه پنجره‌ای جدید به جهان ماده فعال می‌گشاید. با نشان دادن اینکه اسپرم و جلبک‌ها در محیط‌های ویسکوز بدون تبعیت از قانون سوم نیوتن شنا می‌کنند، این یافته‌ها ما را به بازنگری برداشت‌های خود از عملکرد حیات در مقیاس‌های کوچک وا‌می‌دارد و الهام‌بخش نسل بعدی مهندسی زیست‌الهام و روباتیک نرم خواهد بود. این کشفیات پویا، پویایی بی‌پایان علم و هیجانی را که از شناسایی استثنائات قوانین ظاهراً همیشگی به دست می‌آید، برجسته می‌کند.