一项新的研究表明，人类精子和单细胞藻类通过其鞭毛状的尾巴在粘稠液体中穿行，似乎违背了牛顿第三运动定律。京都大学的数学科学家Kenta Ishimoto和他的同事调查了这些非对称相互作用，以便弄清楚它们是如何在理论上会阻止其运动的物质中蠕动的。

当牛顿于1686年构思了他现在著名的运动定律时，他试图用几个简洁的原则来解释物理对象与作用于其上的力之间的关系，事实证明，这些原则并不适用于在粘稠液体中蠕动的微小细胞。

牛顿第三定律的简单概括是“每个行动都有一个相等和相反的反应”。它标志着自然界中的一种特定对称性，即相反的力相互作用。在最简单的例子中，两个大小相等的弹珠在它们沿地面滚动时相撞，会根据这个定律转移它们的力并反弹。

然而，自然是混乱的，不是所有的物理系统都受这些对称性的限制。所谓的非对称相互作用出现在由成群的鸟类、流体中的粒子和游泳精子组成的混乱系统中。

这些有动力的生物以一种显示出与它们身后的动物或其周围的液体不对称相互作用的方式移动，从而为平等和相反的力绕开牛顿第三定律提供了漏洞。

由于鸟类和细胞产生了自己的能量，每次拍打它们的翅膀或摆动它们的尾巴时，都会将这种能量添加到系统中，因此系统被推离平衡状态，同样的规则不适用。

Ishimoto和他的同事们分析了关于人类精子的实验数据，并对绿藻(Chlamydomonas)的运动进行了建模。两者都使用细长的、可弯曲的鞭毛从细胞体中伸出，并改变形状或变形来推动细胞前进。

高粘度流体通常会耗散鞭毛的能量，阻止精子或单细胞藻类运动。然而不知何故，这些弹性鞭毛可以在不引起周围环境反应的情况下推动这些细胞。

研究人员发现，精子尾巴和藻类鞭毛具有“奇怪的弹性”，这使得这些柔软的附属物可以在周围液体中自由摆动而不损失太多能量。

但是这种奇怪的弹性属性并不能完全解释鞭毛波动运动的推进。因此，通过他们的建模研究，研究人员还得出了一个新的术语——奇异弹性模量，来描述鞭毛的内部力学特性。

研究人员总结道：“从可以解决简单的模型到研究Chlamydomonas和精子细胞的生物鞭毛波形，我们研究了奇异弯曲模量，以破译材料内部的非局部、非对称相互作用。”

研究结果可以帮助设计小型自组装机器人来模仿活体材料，同时建模方法也可以用来更好地理解集体行为的基本原理，研究团队补充道。

本文译自 ScienceAlert，由 BALI 编辑发布。

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