科学家发现，精子的活动违反了主要的物理定律

根据一项表征这些性细胞和单细胞藻类运动的新研究，人类精子以其鞭状尾巴推动自己通过粘性流体，这似乎违背了牛顿第三运动定律。

京都大学的数学科学家石本健太（Kenta Ishimoto）及其同事，调查了精子和其他微观生物游泳者的这些非互反相互作用，以弄清楚它们是如何在理论上应该抵抗它们运动的物质中滑行的。

当牛顿在1686年提出他现在著名的运动定律时，他试图用一些简洁的原理来解释一个物理物体和作用在它上面的力之间的关系，但事实证明，这些原理并不一定适用于在粘性液体中蠕动的微观细胞。

牛顿第三定律可以概括为“每一个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力”。它表示自然界中一种特殊的对称性，即相反的力相互作用。在最简单的例子中，两个大小相等的弹珠在地面上滚动时发生碰撞，根据这一定律，它们的力会相互传递并反弹。

然而，自然界是混沌的，并不是所有的物理系统都受这些对称性的约束。所谓的非互反相互作用出现在由群集的鸟类、流体中的粒子和游动的精子组成的不受控制的系统中。

这些移动的物体以一种不对称的方式移动，与它们身后的动物或周围的流体相互作用，形成了一个漏洞，使相等或相反的力可以绕过牛顿第三定律。

因为，鸟类和细胞会产生自己的能量，这些能量会随着它们翅膀的每次扇动或尾巴的摆动而加入到系统中，所以这个系统被推得远离平衡，同样的规则也就不适用了。

石本健太和同事们分析了人类精子的实验数据，并模拟了绿藻衣藻的运动。两者都利用从细胞体突出的薄而弯曲的鞭毛游泳，并改变形状或变形，以推动细胞前进。

高粘性的液体通常会消耗鞭毛的能量，阻止精子或单细胞藻类移动。然而不知何故，弹性鞭毛可以推动这些细胞前进，而不会引起周围环境的反应。

研究人员发现，精子尾巴和藻鞭毛都具有一种“奇怪的弹性”，这使得这些灵活的附属物在游动时不会向周围的液体损失太多能量。

但是，这种奇异弹性的特性并不能完全解释鞭毛波浪状运动的推进力。因此，从他们的建模研究中，研究人员也得出了一个新的术语：奇弹性模量，用来描述鞭毛的内部力学。

研究人员总结道：“从可解的简单模型到衣藻和精子细胞的生物鞭毛波形，我们研究了奇弹性模量，以破译材料内部的非局部、非互反相互作用。”

研究小组补充说，这些发现可以帮助设计小型的、自我组装的机器人，模仿有生命的材料，而建模方法可以用来更好地理解集体行为的潜在原则。

这项研究发表在《PRX Life》杂志上。

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