Spermacellen en andere biologische cellen lijken de bewegingswetten van Newton te overtreden bij het rondzwemmen. Dit geldt alleen als ze bepaalde vreemde elastische eigenschappen hebben.
Menselijke spermacellen en sommige micro-organismen zwemmen door hun lichaam te vervormen op een manier die de derde bewegingswet van Newton lijkt te schenden. We begrijpen nu beter hoe. Deze kennis kan onderzoekers inspireren om zwemmende robotjes te ontwikkelen die deze wet ook aan de laars kunnen lappen.
De beroemde derde wet van Newton kan worden samengevat als ‘voor elke actie is er een gelijke tegenovergestelde reactie’. Dit betekent dat als je tegen een muur duwt, de muur net zo hard terugduwt.
Dit is hoe we wiskundefobie te lijf kunnen gaan
Sarah Hart vertelt hoe we de angst voor getallen en formules weg kunnen nemen.
‘Onlangs zijn natuurkundigen begonnen met het verkennen van mechanica zonder de derde wet van Newton,’ zegt vloeistofwetenschapper Kenta Ishimoto van de Kyoto-universiteit in Japan. ‘Als je dan tegen een muur duwt, duwt die iet noodzakelijkerwijs terug. Hij kan van je wegvluchten.’
Zweepharen
Ishimoto en zijn collega’s wilden deze eigenschap bestuderen bij kleine biologische zwemmers. Ze richtten zich op menselijke zaadcellen en Chlamydomonas-algen. Beide zwemmen met behulp van zweepharen: slanke, haarachtige bewegende aanhangsels van een cel. Zweepharen zijn elastisch en kunnen door interactie met de vloeistof rondom de cel van vorm veranderen. Zo helpen ze de cel voortbewegen op een zogenaamde ‘niet-wederkerige’ manier, die de derde wet van Newton lijkt te overtreden.
Hoe dit precies werkt, is nog onduidelijk. Op microscopische schaal verwachten onderzoekers dat de vloeistof het grootste deel van de energie van de cel dissipeert, ofwel ongebruikt afvoert. Dat zou het onmogelijk maken dat de cel snel vooruit beweegt, of dat hij überhaupt beweegt, hoe hard hij ook met zijn zweephaar beweegt.
De onderzoekers wilden erachter komen hoe de cellen er toch in slagen om zich voort te bewegen. Hiervoor analyseerden ze de beweging van de zweepharen van sperma- en algencellen terwijl ze zwommen. Ze publiceerden daarover in het vakblad Physical Review X-Life.
Antisymmetrische elasticiteit
Ze ontdekten dat de zweepharen een ongebruikelijke eigenschap hebben, de zogenoemde antisymmetrische elasticiteit. Dit betekent dat ze golvende bewegingen kunnen maken zonder veel energie te verliezen aan de omringende vloeistof.
De onderzoekers kwantificeerden de antisymmetrische elasticiteit van de cellen. Zo kenden ze een getal toe dat de antisymmetrische-elasticiteitsmodulus wordt genoemd. Hoe hoger dit getal, hoe meer een zweephaar kan golven zonder dat de omringende vloeistof zijn beweging onderdrukt. Hierdoor kan de cel zich niet-wederkerig voortbewegen.
Wiskundige Clément Moreau van de Universiteit van Kyoto, die ook meewerkte aan het onderzoek, zegt dat de berekening van de antisymmetrische-elasticiteitsmodulus bij veel verschillende microzwemmers erg nuttig is. Zo kunnen wetenschappers de microzwemmers classificeren en uitzoeken of er extra kenmerken zijn die bijdragen aan het overtreden van de derde wet van Newton.
Op dit moment kennen we nog niet alle microscopische processen die de zwemmers helpen om deze bewegingswet te schenden, zegt natuurkundige Piotr Surówka van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van Wrocław in Polen. Volgens hem kan het berekenen van de antisymmetrische elasticiteitsmodulus en soortgelijke getallen helpen bij het opstellen van een lijst organismen die in staat zijn tot niet-wederkerige bewegingen.
De aanpak van het team kan ook helpen bij het ontwerpen van kunstmatige zwemmers, zegt Ishimoto. Zo kunnen onderzoekers kleine, zachte, elastische robots bouwen die de derde wet van Newton overtreden.
