2024-02-15 23:46:54
Avec leurs queues en forme de fouet, les spermatozoïdes humains se propulsent à travers des fluides visqueux, apparemment au mépris de la troisième loi du mouvement de Newton, selon une étude récente qui caractérise le mouvement de ces cellules sexuelles et des algues unicellulaires.
Kenta Ishimoto, mathématicien à l’Université de Kyoto, et ses collègues ont étudié ces interactions non réciproques chez les spermatozoïdes et d’autres nageurs biologiques microscopiques, pour comprendre comment ils se faufilent à travers des substances qui devraient, en théorie, résister à leur mouvement.
Lorsque Newton a conçu ses désormais célèbres lois du mouvement en 1686, il cherchait à expliquer la relation entre un objet physique et les forces agissant sur lui avec quelques principes astucieux qui, en fin de compte, ne s’appliquent pas nécessairement aux cellules microscopiques se tortillant à travers l’espace. fluides collants.
La troisième loi de Newton peut se résumer ainsi : « pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée ». Cela signifie une symétrie particulière dans la nature où des forces opposées agissent les unes contre les autres. Dans l’exemple le plus simple, deux billes de taille égale entrant en collision alors qu’elles roulent sur le sol transféreront leur force et leur rebond en fonction de cette loi.
Ces agents mobiles se déplacent de manière à présenter des interactions asymétriques avec les animaux derrière eux ou avec les fluides qui les entourent, formant ainsi une faille permettant à des forces égales et opposées de contourner la troisième loi de Newton.
Parce que les oiseaux et les cellules génèrent leur propre énergie, qui s’ajoute au système à chaque battement d’ailes ou coup de queue, le système est poussé loin de l’équilibre et les mêmes règles ne s’appliquent pas.
Dans leur étude publiée en octobre, Ishimoto et ses collègues ont analysé des données expérimentales sur le sperme humain et ont également modélisé le mouvement des algues vertes. Chlamydomonas. Tous deux nagent à l’aide de flagelles fins et courbés qui dépassent du corps cellulaire et changent de forme ou se déforment pour faire avancer les cellules.
Les fluides très visqueux dissipent généralement l’énergie d’un flagelle, empêchant ainsi un spermatozoïde ou une algue unicellulaire de bouger beaucoup. Et pourtant, les flagelles élastiques peuvent propulser ces cellules sans provoquer de réponse de leur environnement.
Les chercheurs ont découvert que les queues des spermatozoïdes et les flagelles des algues ont une « élasticité étrange », ce qui permet à ces appendices flexibles de se déplacer sans perdre beaucoup d’énergie dans le fluide environnant.
Mais cette propriété d’élasticité étrange n’expliquait pas entièrement la propulsion due au mouvement ondulatoire des flagelles. Ainsi, à partir de leurs études de modélisation, les chercheurs ont également dérivé un nouveau terme, un étrange module élastique, pour décrire la mécanique interne des flagelles.
«Des modèles simples solubles aux formes d’ondes flagellaires biologiques pour Chlamydomonas et les spermatozoïdes, nous avons étudié le module de flexion impair pour déchiffrer les interactions internes non locales et non réciproques au sein du matériau», ont conclu les chercheurs.
Les résultats pourraient aider à la conception de petits robots auto-assemblés qui imitent les matériaux vivants, tandis que les méthodes de modélisation pourraient être utilisées pour mieux comprendre les principes sous-jacents du comportement collectif, a indiqué l’équipe.
L’étude a été publiée dans Vie PRX.
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