Spermien entdeckt, die gegen das dritte Newtonsche Gesetz verstoßen!

Die Gesetze der Physik wurden von allem Möglichen gebrochen (oder scheinen gebrochen worden zu sein), von balancierenden Steinen bis hin zum Boden von Seinfeld, und jetzt auch von menschlichem Sperma.

Spermien
Die grundlegenden physikalischen Prinzipien, die dem Verhalten von Spermien zugrunde liegen, sind noch nicht vollständig bekannt.

Letztere setzen sich über Newtons drittes Bewegungsgesetz hinweg, indem sie ihre Körper verzerren, während sie so schwimmen, dass sie keine Reaktion der Umwelt hervorrufen.

Newtons drittes Gesetz besagt, dass wenn ein Objekt eine Kraft auf ein zweites Objekt ausübt, übt das zweite Objekt eine gleich große und entgegengesetzte Kraft aus. Mit anderen Worten: "Für jede Aktion gibt es eine gleich große und entgegengesetzte Reaktion". Bei biologischen Schwimmern wie Spermien ist dies jedoch nicht unbedingt der Fall.

In einer neuen Studie haben Wissenschaftler die Daten von Chlamydomonas-Algen und menschlichen Spermien analysiert und dabei nicht-reziproke mechanische Wechselwirkungen festgestellt, die sie als "seltsame Elastizität" bezeichnen und die dem dritten Newtonschen Gesetz widersprechen.

Form der Bewegung

Sowohl Chlamydomonas als auch Spermien benutzen haarähnliche Anhängsel, so genannte Flagellen, um sich fortzubewegen. Diese ragen aus der Zelle heraus, fast wie ein Schwanz, und helfen ihr, sich vorwärts zu bewegen, wobei sie ihre Form ändern, wenn sie mit der umgebenden Flüssigkeit interagieren.

Sie tun dies auf nicht-reziproke Weise, was bedeutet, dass sie keine gleichwertige und entgegengesetzte Reaktion aus ihrer Umgebung hervorrufen und somit das dritte Newtonsche Gesetz ignorieren.

Die Elastizität der Geißel erklärt jedoch nicht vollständig, wie sich die Zelle bewegen kann, und hier kommt die seltsame Elastizität ins Spiel. Sie ermöglicht es den Zellen, ihre Geißeln zu bewegen, ohne zu viel Energie auf ihre Umgebung zu verwenden, die sonst ihre Mobilität unterdrücken würde.

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Je höher der Fremdelastizitätswert (oder der Fremdelastizitätsmodul) einer Zelle ist, desto größer ist die Fähigkeit einer Geißel, sich ohne großen Energieverlust zu bewegen, sodass die Zelle sich auf eine Weise vorwärts bewegen kann, die der Physik widerspricht.

Spermien und Algen sind nicht die einzigen Zellen, die Geißeln haben. Viele Mikroorganismen haben sie auch (sie können Bakterien dazu bringen, so zu klingen, als würden sie kleine Trommeln spielen), was bedeutet, dass weitere regelwidrige Zellen wahrscheinlich noch entdeckt werden müssen.


Es könnte sehr nützlich sein, andere Zellen oder Organismen, die zu nicht-reziproken Bewegungen fähig sind, zu verstehen und zu klassifizieren, sagt das Team, das die Studie durchgeführt hat.

Laut einem der Autoren der Studie, Kenta Ishimoto von der Universität Kyoto (Japan), könnte ihr Ansatz sogar bei der Entwicklung kleiner elastischer Roboter helfen, die in der Lage sind, das dritte Newtonsche Gesetz zu brechen.

Möglicherweise gibt es andere Organismen, die sich nicht an das dritte Newtonsche Gesetz halten. Die Wissenschaftler werden ihre Forschung fortsetzen.

Darüber hinaus kann der ungerade Elastizitätsmodul für jedes geschlossene System berechnet werden, was bedeutet, dass er auf eine breite Palette biologischer Daten angewendet werden kann, einschließlich aktiver elastischer Membranen und Massendynamik, erklären die Autoren in ihrer Schlussfolgerung. Das Gesetz zu brechen war noch nie so vorteilhaft.

Quellenhinweis:
Ishimoto K., Moreau C., Yasuda K. Odd Elastohydrodynamics: Non-Reciprocal Living Material in a Viscous Fluid. PRX Life (2023).