精子不遵守牛顿第三定律？科学家发现“奇异弹性”现象

牛顿第三定律是我们在物理学中最常见的定律之一，它指出：每一个作用力都会产生一个大小相等、方向相反的反作用力。

这个定律可以解释很多日常生活中的现象，比如我们走路时脚与地面之间的摩擦力、我们打气球时气球对我们手的反弹力、我们开车时车轮与路面之间的推力等等。

然而，在微观世界中，有些生物细胞却能够通过一种违背牛顿第三定律的方式来进行游泳。这些细胞包括人类精子细胞和一些单细胞藻类。

它们都有一根类似于鞭子的结构叫做鞭毛（或尾巴），可以帮助它们在液体中前进。但是，它们的鞭毛运动并不会引起大小相等、方向相反的反作用力，而是通过一种独特的方式与周围液体相互作用。

这项令人惊讶的发现是由日本京都大学数学科学家石本健太和他的同事们在2023年10月发表在《自然》杂志上的一篇论文中报告的。

他们利用数学模型和实验观察来研究精子和藻类等微观生物游泳者的非对称性相互作用，揭示了一种被称为“奇异弹性”的物理机制，它可以使这些细胞违背牛顿第三定律，并提高它们的游泳效率。

那么，精子和藻类是如何做到这一点的呢？要回答这个问题，我们首先要了解一下鞭毛的结构和运动方式。鞭毛是一种细胞器，它由微管蛋白组成，可以在细胞内部或外部形成一根细长的纤维。

鞭毛可以通过变形并恢复到原来的形状来进行波浪式运动，从而推动细胞在液体中前进。这种运动方式类似于我们用手甩动一根橡皮筋或一根绳子，让它们形成一个波浪状的形状。

按照牛顿第三定律，当鞭毛在液体中形成波浪时，它会对液体施加一个作用力，而液体也会对鞭毛施加一个大小相等、方向相反的反作用力。

这样的话，鞭毛的运动最终会减慢细胞的速度，甚至使其停止。然而，研究人员发现，精子和藻类的鞭毛运动却避免了这种等效和相反的反应，从而违背了牛顿第三定律。

更令人惊奇的是，精子和藻类的鞭毛在与周围液体对抗时会变形，但这种变形过程中却避免了等效和相反的反应，从而节省了能量。研究人员将这种能力称为“奇异弹性”。

简单地说，“奇异弹性”是指一种物理机制，它可以使固体或其他系统产生主动力，而不需要使用弹性势能。

这意味着，精子和藻类的鞭毛在与周围液体相互作用时，不会产生大小相等、方向相反的反作用力，从而违背了牛顿第三定律。

为了更好地理解“奇异弹性”的原理，我们可以用一个简单的例子来比喻。假设我们有一个橡皮球和一个气球，它们都被吹得很大，并且都有一个小孔。

当我们把它们放在水中时，它们都会因为气体的流出而缩小，并且向前移动。这是因为气体对水施加了一个作用力，而水也对气体施加了一个大小相等、方向相反的反作用力。这个过程符合牛顿第三定律。

然而，如果我们把橡皮球换成一个具有“奇异弹性”的球，比如一个可以自由变形并恢复到原来形状的球，那么情况就不一样了。

当我们把这个球放在水中时，它也会因为气体的流出而缩小，并且向前移动。但是，在缩小的过程中，它会以微小的方式弯曲以应对来自水的反作用力，并且在恢复到原来形状时也会以微小的方式弯曲以应对来自气体的反作用力。

这样一来，它就避免了产生大小相等方向相反的反作用力，从而节省了能量，并提高了它的游泳效率。这个过程违背了牛顿第三定律。

这个例子虽然是一个简化的模型，但它可以帮助我们理解精子和藻类的鞭毛运动中的“奇异弹性”现象。通过以微小的方式弯曲以应对来自液体的反作用力，鞭毛能够避免出现大小相等、方向相反的反应，从而节省精子和藻类的能量，并提高它们的游泳效率。

这项研究不仅挑战了我们对生物运动和物理定律的理解，也为我们提供了一个全新的视角来看待材料科学和工程设计中的问题。

例如，我们可以借鉴这种“奇异弹性”的原理来设计出一种具有自我驱动能力的材料或结构，这将对能源效率、环境保护和可持续发展等领域产生重大影响。