وقتی اسپرم‌ها قانون سوم نیوتن را نقض می‌کنند

سلول‌های اسپرم و برخی دیگر از میکروارگانیسم‌ها با تغییر شکل بدن خود، به‌گونه‌ای شنا می‌کنند که قانون سوم حرکت نیوتن نقض می‌شود. حالا دانشمندان قدمی دیگر به پاسخ این پرسش نزدیک شده‌اند: این موجودات چگونه چنین کاری انجام می‌دهند؟

قانون سوم حرکت نیوتن را می‌توان در این جمله خلاصه کرد: «برای هر عمل، یک عکس‌العمل برابر و در جهت مخالف وجود دارد.» این یعنی وقتی شما یک دیوار را به جلو می‌رانید، دیوار نیز شما را به عقب می‌راند.

اما به‌تازگی فیزیکدانان شروع به بررسی مکانیک حالت‌هایی از حرکت کرده‌اند که قانون سوم نیوتن در آن‌ها دخیل نیست. «کنتا ایشیموتو» (Kenta Ishimoto) و همکارانش در دانشگاه کیوتو ژاپن با همین رویکرد مکانیکی را توسعه داده‌اند که می‌تواند حرکت عجیب سلول‌های اسپرم و برخی سلول‌های دیگر در مایعات ویسکوز را توضیح دهد.

حرکت موجی اسپرم نمونه‌ای از یک الاستیسیته نامتقارن است که قانون سوم نیوتن را می‌کشند.
Ishimoto, K. , Moreau, C. , & Yasuda, K. (۲۰۲۳)

ناشناخته‌های حرکت اسپرم
جنبندگی یکی از خصوصیات اصلی سیستم‌های زنده است؛ از تک‌سلولی‌ها تا گروه پرندگان و جمعیت انسان‌ها. جنبندگی در دهه‌های اخیر توجه بسیاری از فیزیکدانان را به خود جلب کرده است. پژوهش‌های این حوزه پیوندی بین فیزیک آماری، بیوفیزیک و مکانیک محیط‌های پیوسته برقرار می‌کنند.

یکی از خصوصیات کلیدی سیستم‌های جنبنده زنده این است که انرژی شیمیایی را به نیرو‌های مکانیکی تبدیل می‌کنند. به عبارت دیگر، یک جنبنده می‌تواند قوانین ترمودینامیک را کنترل کند. درنتیجه وقتی این سیستم‌ها را به‌صورت باز درنظر بگیریم، قانون سوم نیوتن نقض می‌شود.

علت نقض قانون سوم نیوتن این است که واحد‌های فعال کوچک درون سیستم، تمام سیستم (جنبنده زنده) را به حرکت درمی‌آورند. این مانند حالتی است که شما درون یک ساختمان یک دیوار را رو به جلو هل دهید و این دیوار – و درنتیجه کل ساختمان – واقعاً به حرکت درآید.

فیزیکدانان این مکانیک را الاستیسیته تکی (odd elasticity) یا نامتقارن می‌نامند. در این نوع الاستیسیته، تعامل سلول با محیط اطراف یک‌طرفه است و قانون سوم نیوتن را نقض می‌کند.

ایشیموتو و همکارانش با استفاده از روابط مکانیکی الاستیسیته تکی، مدلی را برای حرکت ریزشناگر‌ها توسعه داده‌اند. نتایج این مطالعه پیش از انتشار، در وب‌سایت arXiv در دسترس است.

آن‌ها برای آزمایش مدل خود از داده‌های تجربی حرکت سلول‌های اسپرم و جلبک سبز کلامیدوموناس (Chlamydomonas) استفاده کرده‌اند. این میکروارگانیسم‌ها زایده‌های دم‌مانندی به نام تاژک یا فلاژل دارند که با حرکات موجی خود باعث حرکت اسپرم می‌شوند.

این امواج با ضربه‌های واحد‌های «موتور حرکتی» درون سلول ایجاد می‌شوند. انرژی این ضربات از واکنش‌های شیمیایی درون موتور حرکتی آزاد می‌شود. درنتیجه یک الاستیسیته تکی ایجاد می‌شود که با قانون سوم نیوتن سازگار نیست.

طبق گفته‌های پژوهشگران، مدل آن‌ها به‌خوبی از توضیح این حرکات برآمده است. این می‌تواند ما را یک قدم به حل معمای حرکت عجیب اسپرم و میکروارگانیسم‌های دم‌دار نزدیک کند. همچنین فهم این مکانیسم حرکتی می‌تواند ساخت ربات‌هایی را که با شکستن قانون سوم نیوتن حرکت می‌کنند، برای دانشمندان امکان‌پذیر کند.