Een onlangs gepubliceerde studie toont aan dat menselijk sperma efficiënt kan blijven zwemmen in een zeer stroperige, vloeibare omgeving die volgens de conventionele natuurkunde vrijwel onmiddellijk beweging zou moeten verhinderen. Hun bewegingsmethode lijkt de derde wet van Newton, waarmee we bekend zijn, effectief te ‘omzeilen’. Het onderzoek werd geleid door Kenta Ishimoto, een wiskundige aan de Universiteit van Kyoto. Hij en zijn collega's stelden voor dat microscopisch kleine 'actieve stoffen' zoals sperma een onconventionele elastische eigenschap vertonen door continu intern energie te injecteren, waardoor fluctuaties en vooruitgang in een omgeving met hoge weerstand in stand worden gehouden.

Op alledaagse schaal is water een relatief ‘lichte’ vloeistof voor het menselijk lichaam, maar op microscopische schaal gedraagt ​​de vloeistof zich meer als een dikke muur van weerstand: de traagheid is vrijwel te verwaarlozen, de viscositeit domineert en het object stopt vrijwel onmiddellijk zodra het niet meer hard duwt. Voor kleinschalige zwemmers zoals sperma is er geen "glijfase" tussen elke staartzwaai. Als het flagellum stopt met fladderen, wordt de voortgang onmiddellijk beëindigd. Dit leidt tot de zogenaamde "sint-jakobsschelpstelling": in een zeer stroperige vloeistof kan het simpelweg herhalen van een volledig omkeerbare heen-en-weerbeweging geen netto verplaatsing veroorzaken. Als een microscopisch kleine zwemmer vooruit wil, moet hij vertrouwen op een onomkeerbaar, tijdgestuurd bewegingspatroon.

Sperma gebruikt flagella om deze fysieke puzzel 'op te lossen'. Het flagellum is een slanke, flexibele staartachtige structuur met een groot aantal moleculaire motoren erin verdeeld, die lopende golven over de lengte van het flagellum kunnen genereren, waardoor de hele staart lijkt op een "actieve zweep" die continu golven uitzendt. Soortgelijke structuren bestaan ​​ook in micro-organismen zoals de groene algen Chlamydomonas, die ook afhankelijk zijn van flagella om in een stroperige omgeving te zwemmen. Omdat moleculaire motoren voortdurend energie in het systeem injecteren, gedraagt ​​het flagellum zich minder als een passieve veer en meer als een intern aangedreven 'actief materiaal'.

Het onderzoeksteam concentreerde zich op een eigenschap die 'vreemde elasticiteit' in het actieve materiaal wordt genoemd. Bij gewone elastische materialen zijn kracht en respons wederkerig: hoe je het materiaal ook uitrekt of buigt, het veert op een vergelijkbare manier terug, volgens een actie-reactie-symmetrie. Bij actieve materialen kunnen interne energiebronnen er echter voor zorgen dat het materiaal een niet-wederzijdse reactie produceert, dat wil zeggen dat de reactiekracht die wordt gegenereerd wanneer deze wordt onderworpen aan een externe kracht, niet langer eenvoudigweg de externe kracht "weerspiegelt". Dit asymmetrische mechanische gedrag helpt de lopende golf in stand te houden, zelfs als de stroperige vloeistof de mechanische energie van het systeem blijft verbruiken.

Om dit proces te beschrijven, stelden onderzoekers het theoretische raamwerk van de "vreemde elastohydrodynamica" voor. Dit raamwerk heeft tot doel systematisch de "niet-lokale, niet-wederkerige" interacties te karakteriseren die worden vertoond door elastische materialen in stroperige vloeistoffen, en te onderscheiden welke effecten voortkomen uit de weerstand van de omringende vloeistof en welke voortkomen uit het actieve aandrijfmechanisme in het materiaal. Het onderzoeksteam wees erop dat als we alleen uitgaan van het macroscopische sleepeffect, dit vaak de ware mechanische aard van de fluctuaties in het flagellum zal verdoezelen, dus het is noodzakelijk om de twee theoretisch te scheiden. Ze introduceerden ook een "enkelvoudige elastische modulus" als een wiskundig hulpmiddel om gewone elastische reacties te onderscheiden van actief niet-wederkerig mechanisch gedrag.

In termen van modelverificatie pasten de onderzoekers deze theorie toe op experimentele gegevens van menselijk sperma en de swinggegevens van Chlamydomonas flagella. De resultaten laten zien dat de flagellaire golven van menselijk sperma voornamelijk worden gegenereerd door interne actieve activiteiten, terwijl passieve elasticiteit een rol speelt bij het stabiliseren van de golfvorm en het helpen ontspannen ervan in de tijd. Voor Chlamydomonas is de niet-wederkerige respons die in het model wordt afgeleid in hoge mate consistent met het golfpatroon dat wordt geproduceerd door het daadwerkelijk slaan van zijn flagellum, wat de sleutelrol van "vreemde elasticiteit" bij het aandrijven van microscopisch zwemmen verder ondersteunt.

Het onderzoeksteam is van mening dat dit raamwerk het ‘niet-lokale, niet-wederkerige’ intrinsieke interactiemechanisme binnen actieve materialen kan onthullen. In termen van de leek is de staart van een sperma geen kleine zweep die door een externe kracht wordt geslagen, maar een complexe structuur die voortdurend energie verbruikt. Dankzij zijn interne dynamiek kan hij met succes vooruit zwemmen in een fysieke wereld waar 'gewone heen en weer gaande bewegingen niet vooruit kunnen komen'. De auteur benadrukt dat het zogenaamde ‘omzeilen’ van de derde wet van Newton niet echt betekent dat de fundamentele wetten van de natuurkunde worden overtreden, maar omdat sperma wordt beschouwd als een ‘open systeem’: een groot aantal microscopisch kleine actieve eenheden blijven energie in het systeem injecteren, waardoor de mechanische symmetrie wordt verbroken die we gewend zijn te zien in gesloten, passieve systemen.

De implicaties van dit onderzoek reiken verder dan het sperma zelf. De onderzoekers wezen erop dat dit theoretische perspectief helpt om een ​​dieper inzicht te krijgen in de bewegingspatronen van ‘collectieve zwemmers’, van afzonderlijke cellen tot gecoördineerde zwermen in complexe vloeistofomgevingen. Vanuit een toepassingsperspectief wordt verwacht dat het analytische denken over de "vreemde bom-vloeistofdynamiek" ook theoretische richtlijnen zal bieden voor het ontwerp van microscopische zelfassemblerende robots, kunstmatige micro-zwemmers en flexibele materialen die levensbewegingen imiteren. De relevante resultaten zijn in oktober 2023 gepubliceerd in het tijdschrift PRX Life. Het artikel is getiteld "Odd Elastohydrodynamics: Non-Reciprocal Living Material in a Viscous Fluid".