Menneskelige sædceller kan svømme gjennom overraskende seige væsker med en letthet som har forundret forskere. I forsøk og modellering ser bevegelsen deres til og med ut til å utfordre en av fysikkens mest kjente regler: Newtons tredje lov.
For å forstå hvordan cellene kommer seg frem i miljøer som i teorien burde bremse dem kraftig, undersøkte et forskerteam ledet av Kenta Ishimoto ved Kyoto University bevegelsesmønstrene til sædceller og andre mikroskopiske «svømmere».
Newtons tredje lov oppsummeres ofte slik: For hver kraft som virker på et legeme, finnes det en like stor og motsatt rettet kraft tilbake. I hverdagslige situasjoner ser vi dette tydelig, for eksempel når to like store klinkekuler kolliderer og spretter fra hverandre.
Men naturen er ikke alltid så symmetrisk. I enkelte systemer kan det oppstå såkalte ikke-gjensidige interaksjoner, der påvirkningen mellom to deler ikke er lik og motsatt i begge retninger. Slike effekter er observert i alt fra flokker av dyr til partikler i væsker – og altså i sædceller som svømmer.
Et viktig poeng er at mange biologiske systemer tilfører energi kontinuerlig. En fugl som slår med vingene, eller en celle som pisker med en hale, driver seg selv frem ved å bruke energi og skyver dermed systemet bort fra likevekt. Under slike forhold kan de vanlige, intuitive reglene vi forbinder med symmetri og «like mye tilbake», bli mindre direkte anvendelige.
I en studie publisert i oktober 2023 analyserte Ishimoto og kolleger både eksperimentelle data fra menneskelige sædceller og modellerte bevegelsen til grønnalgen Chlamydomonas. Begge svømmer ved hjelp av tynne, fleksible flageller, halelignende strukturer som stikker ut fra cellekroppen. Disse flagellene endrer form i bølgebevegelser som skyver cellen fremover.
Problemet er at svært tyktflytende væsker normalt vil «sluke» energien i slike bevegelser. I slike miljøer burde en flagell i praksis miste mye av skyvekraften til friksjon og motstand i væsken, slik at cellen knapt kommer noen vei. Likevel klarer både sædceller og Chlamydomonas å bevege seg effektivt.
Forskerne fant at halene og flagellene har det de omtaler som en spesiell form for elastisitet. Denne egenskapen gjør at de fleksible strukturene kan bevege seg uten å tape like mye energi til omgivelsene som man ellers skulle forvente.
Samtidig var ikke dette nok til fullt ut å forklare framdriften fra den bølgete bevegelsen. Gjennom modelleringen innførte teamet derfor et nytt begrep for å beskrive mekanikken inne i flagellen: en «odde» elastisk modul, som skal fange opp hvordan interne, ikke-gjensidige krefter i materialet bidrar til bevegelsen.
– Fra enkle, løselige modeller til biologiske bølgeformer for Chlamydomonas og sædceller, studerte vi en odd-bøyemodul for å forstå de ikke-lokale, ikke-gjensidige indre interaksjonene i materialet, konkluderer forskerne i studien.
Resultatene kan få praktiske konsekvenser. Ifølge forskergruppen kan innsikten bidra til utvikling av svært små, selvorganiserende roboter som etterligner egenskaper ved levende materialer. Metodene kan også brukes til å forstå bedre hvilke grunnprinsipper som ligger bak kollektiv atferd i komplekse systemer.
Studien ble publisert i tidsskriftet PRX Life.
En tidligere versjon av denne artikkelen ble publisert i oktober 2023.
