Bilim Adamları Spermlerin Önemli Bir Fizik Yasasını İhmal Ettiğini Keşfetti

Teorik olarak hareketlerine direnmesi gereken maddelerin içinden nasıl kayarak geçtiklerini anlamak için, Kyoto Üniversitesi'nden matematik bilimci Kenta Ishimoto liderliğindeki bir ekip, birkaç yıl önce sperm ve diğer mikroskobik biyolojik yüzücülerin hareketlerini araştırdı.

Sir Isaac Newton, 1686'da şu anda ünlü olan hareket yasalarını ortaya attığında, fiziksel bir nesne ile ona etki eden kuvvetler arasındaki ilişkiyi birkaç net ilkeyle açıklamaya çalıştı, ancak bu ilkelerin yapışkan sıvılarda kıvrılan mikroskobik hücrelere mutlaka uygulanmadığı ortaya çıktı.

Newton'un üçüncü yasası, “her etkiye eşit ve zıt bir tepki vardır” şeklinde özetlenebilir. Bu, doğada zıt kuvvetlerin birbirine karşı etki ettiği belirli bir simetriyi ifade eder.

En basit örnekte, zeminde yuvarlanan iki eşit büyüklükteki bilye çarpıştığında, bu yasaya göre kuvvetlerini aktarır ve geri sekerek ayrılırlar.

Ancak doğa kaotiktir ve tüm fiziksel sistemler bu simetrilerle sınırlı değildir. Sözde karşılıklı olmayan etkileşimler, sürü halinde uçan kuşlar, sıvıdaki parçacıklar ve yüzen spermlerden oluşan düzensiz sistemlerde görülür.

Bu hareketli ajanlar, arkalarındaki hayvanlar veya çevrelerindeki sıvılarla asimetrik etkileşimler sergileyen şekillerde hareket ederler ve Newton'un üçüncü yasasını atlatmak için eşit ve zıt kuvvetler için bir boşluk oluştururlar.

Kuşlar ve hücreler, kanatlarını her çırpışında veya kuyruklarını her hareket ettiklerinde sisteme eklenen kendi enerjilerini ürettikleri için, sistem dengeden uzaklaşır ve aynı kurallar geçerli olmaz.

Ekim 2023'te yayınlanan çalışmalarında Ishimoto ve meslektaşları, insan spermiyle ilgili deneysel verileri analiz ettiler ve yeşil alg Chlamydomonas'ın hareketini modellediler. Her ikisi de hücre gövdesinden çıkıntı yapan ve şekil değiştiren veya deforme olan ince, esnek flagellalar kullanarak yüzüyor ve hücreleri ileriye doğru itiyor.

Yüksek viskoziteli sıvılar genellikle flagellumun enerjisini dağıtır ve sperm veya tek hücreli alglerin hareket etmesini engeller. Yine de, elastik flagellumlar, çevrelerinden bir tepki almadan bu hücreleri ileriye doğru itebilir.

Araştırmacılar, sperm kuyruklarının ve alg flagellalarının, bu esnek uzantıların çevreleyen sıvıya fazla enerji kaybetmeden hareket etmesini sağlayan “garip bir esneklik”e sahip olduğunu keşfettiler.

Ancak bu garip esneklik özelliği, flagellanın dalga benzeri hareketinden kaynaklanan itiş gücünü tam olarak açıklamıyordu. Bu nedenle, modelleme çalışmalarından yola çıkarak araştırmacılar, flagellanın iç mekanizmasını tanımlamak için yeni bir terim, garip elastik modül, türettiler.

Araştırmacılar, “Çözülebilir basit modellerden Chlamydomonas ve sperm hücreleri için biyolojik flagellar dalga formlarına kadar, malzeme içindeki yerel olmayan, karşılıklı olmayan iç etkileşimleri deşifre etmek için garip bükülme modülünü inceledik” sonucuna vardılar.

Ekip, bu bulguların canlı malzemeleri taklit eden küçük, kendi kendine birleşen robotların tasarımına yardımcı olabileceğini, modelleme yöntemlerinin ise kolektif davranışın temel ilkelerini daha iyi anlamak için kullanılabileceğini söyledi.

Bu yazı SCIENCEALERT’ de yayınlanmıştır.