科學(xué)家意外發(fā)現(xiàn)：精子竟違反重要物理定律！

340年的物理學(xué)基礎(chǔ)遭遇了挑戰(zhàn)，這一次的對手不是黑洞或量子糾纏，而是肉眼看不見的精子細(xì)胞。京都大學(xué)的數(shù)學(xué)科學(xué)家石本健太領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在最近發(fā)表的論文中揭示了一個(gè)令人驚訝的事實(shí)：人類精子以及其他微小生物在游動(dòng)時(shí)，似乎違反了牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律。這個(gè)發(fā)現(xiàn)不僅震撼了生物物理學(xué)領(lǐng)域，更挑戰(zhàn)了我們對物理法則普遍適用性的理解。

1686年，艾薩克·牛頓爵士在其《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中提出了三大運(yùn)動(dòng)定律，其中第三定律表述為"每一個(gè)作用力都有一個(gè)大小相等、方向相反的反作用力"。這個(gè)看似簡單而優(yōu)雅的原理已經(jīng)主導(dǎo)了人類對物理世界的理解近四個(gè)世紀(jì)。然而，精子細(xì)胞似乎沒有讀過牛頓的著作。當(dāng)精子在高粘度液體中游動(dòng)時(shí)，它的尾部與周圍液體的相互作用方式完全顛覆了這一基本定律。

奇數(shù)彈性的微觀魔法

要理解精子如何打破這個(gè)定律，首先需要了解一個(gè)全新的物理概念：奇數(shù)彈性。傳統(tǒng)的彈性材料，比如橡皮筋，在拉伸和壓縮時(shí)表現(xiàn)出對稱的行為。但精子的鞭毛并非如此。研究人員發(fā)現(xiàn)，精子尾部具有一種奇特的彈性特性，使其能夠以不對稱的方式彎曲和變形。

輸卵管內(nèi)精子細(xì)胞的掃描電子顯微鏡照片。（圖片來源： Science Photo Library/Canva）

這種不對稱性是關(guān)鍵所在。當(dāng)精子的鞭毛擺動(dòng)時(shí)，它不是像普通的鞭子那樣簡單地抽打周圍的液體。相反，鞭毛通過巧妙地改變其彎曲方式，能夠向前推進(jìn)自己，而幾乎不向周圍的液體轉(zhuǎn)移能量。在高粘度環(huán)境中，這種能力顯得尤為重要，因?yàn)楹裰氐囊后w通常會(huì)快速耗散任何物體的運(yùn)動(dòng)能量。

研究團(tuán)隊(duì)通過分析人類精子的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬綠藻衣藻的運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)數(shù)學(xué)描述這種現(xiàn)象的新參數(shù)，他們稱之為"奇數(shù)彈性模量"。這個(gè)模量能夠準(zhǔn)確描述鞭毛內(nèi)部的非局部、非互惠的相互作用方式。換句話說，這種彈性是"奇數(shù)"的，因?yàn)樗蚱屏顺Ｒ?guī)物理中的對稱性。

從違反法律到啟發(fā)設(shè)計(jì)

在高粘度液體中，精子之所以能夠游動(dòng)而不陷入停滯，正是因?yàn)楸廾倪@種奇數(shù)彈性特性。精子可以產(chǎn)生自己的能量，每次鞭毛擺動(dòng)都會(huì)向系統(tǒng)注入新的能量，使其遠(yuǎn)離物理平衡狀態(tài)。正是因?yàn)檫@一點(diǎn)，牛頓第三定律原本的約束條件不再適用。

值得注意的是，這種現(xiàn)象并非僅限于精子。鳥類拍打翅膀、流體中的粒子運(yùn)動(dòng)，以及其他活躍的生物系統(tǒng)都表現(xiàn)出了類似的非互惠相互作用。這些系統(tǒng)的共同特點(diǎn)是，它們都是自我驅(qū)動(dòng)的，能夠不斷向環(huán)境輸入能量，因此可以繞過牛頓第三定律的約束。

左下角隱約可見帶有兩條鞭毛的綠藻（球形衣藻） 。（ Picturepest/CC BY 2.0/Wikimedia Commons）

這個(gè)發(fā)現(xiàn)的實(shí)際應(yīng)用前景令人興奮。石本和他的團(tuán)隊(duì)指出，這些理論和模型可以用于設(shè)計(jì)新型的小型自組裝機(jī)器人。想象一下，如果我們能夠模仿精子鞭毛的奇數(shù)彈性特性，就可以創(chuàng)造出能夠在粘稠環(huán)境中高效運(yùn)動(dòng)的微型機(jī)器，這在醫(yī)療診斷、藥物輸送等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

此外，這種建模方法也為理解更復(fù)雜的集體行為提供了基礎(chǔ)。無論是鳥群的協(xié)調(diào)飛行，還是細(xì)菌群落的集體運(yùn)動(dòng)，背后都可能涉及類似的非互惠相互作用機(jī)制。通過深化對這些機(jī)制的理解，科學(xué)家們有望揭示生命運(yùn)動(dòng)的更深層原理。

研究發(fā)表在《PRX Life》期刊上，代表了生物物理學(xué)領(lǐng)域的一次重要突破。這項(xiàng)研究有力地表明，自然界遠(yuǎn)比我們想象的要復(fù)雜和聰慧。在高粘度液體這樣看似惡劣的環(huán)境中，生命找到了巧妙的方式來規(guī)避物理法則的約束。牛頓的第三定律依然偉大，但在微觀生物的世界里，生命已經(jīng)發(fā)展出了它自己的游戲規(guī)則。