Kyoto Üniversitesi araştırması Newton'un yasasını sorgulatıyor

Sperm hücreleri Newton'un hareket yasasını çiğniyor

İnsan spermi ve diğer mikroskobik canlılar, yapışkan ve yüksek viskoziteli sıvılar içinde şaşırtıcı bir kolaylıkla hareket edebilmektedir. Bu olağanüstü yetenek, aslında 17. yüzyılda Sir Isaac Newton tarafından formüle edilen temel fizik yasalarına karşı çıkmaktadır. Kyoto Üniversitesi'nden matematiksel bilim insanı Kenta Ishimoto liderliğindeki bir araştırma ekibi, bu paradoksu çözmek için sperm ve diğer mikroskobik biyolojik yüzücülerin hareketlerini detaylı biçimde incelemiştir. Ekim 2023'te yayınlanan çalışmaları, sperm hücrelerinin ve yeşil alg türü Chlamydomonas'ın nasıl bu fizik kurallarını atlatabildiğini açıklamaktadır.

Newton'un yasası ve doğadaki istisnalar

Newton'un ünlü üçüncü hareket yasası, 'her etki için eşit ve zıt bir tepki vardır' ilkesine dayanmaktadır. Bu yasa, doğada karşıt kuvvetlerin birbirine karşı etki ettiği belirli bir simetriyi tanımlar. Örneğin, yerde yuvarlanırken çarpışan iki eşit boyutlu bilye, bu yasaya göre kuvvetlerini aktarır ve geri sekerler. Ancak doğa her zaman bu simetrik davranışları takip etmez. Karşılıklı olmayan etkileşimler olarak adlandırılan durumlar, sürü halinde uçan kuşlardan, sıvı içindeki parçacıklara ve yüzen sperm hücrelerine kadar uzanan düzensiz sistemlerde ortaya çıkmaktadır. Bu hareketli ajanlar, arkalarındaki ortamla veya çevrelerindeki sıvılarla asimetrik etkileşimler sergileyen şekillerde hareket ederek, eşit ve zıt kuvvetlerin Newton'un yasasını atlaması için bir boşluk oluştururlar.

Kuşlar ve hücreler kendi enerjilerini ürettikleri için, bu enerji her kanat çırpışında veya kuyruk hareketinde sisteme eklenir. Sistem dengeden uzaklaştırıldığında, Newton'un klasik yasaları artık geçerli olmaz. Sperm hücreleri de benzer şekilde, kendi iç enerjisini kullanarak hareket etmektedir ve bu durum onları fizik kurallarının dışına çıkarmaktadır.

Flagella yapısı ve tuhaf esneklik

İnsan spermi ve Chlamydomonas alg hücreleri, hücre gövdesinden çıkan ve hücreleri ileri doğru itmek için şekil değiştiren ince, esnek yapılar olan flagellalar kullanarak yüzerler. Yüksek viskoziteli sıvılar tipik olarak bir flagellumun enerjisini dağıtır ve bir spermin veya tek hücreli bir algin çok fazla hareket etmesini engeller. Teorik olarak, bu kadar yapışkan bir ortamda hareket etmek neredeyse imkansız olmalıdır. Ancak araştırmacılar, sperm kuyruklarının ve alg flagellalarının, bu esnek uzantıların çevredeki sıvıya fazla enerji kaybetmeden hareket etmesine olanak tanıyan bir 'tuhaf esnekliğe' sahip olduğunu keşfetmiştir.

Kyoto Üniversitesi'nden Ishimoto ve meslektaşları, insan spermi üzerine deneysel verileri analiz ettiler ve ayrıca yeşil alg Chlamydomonas'ın hareketini matematiksel modeller aracılığıyla simüle ettiler. Her iki organizmada da flagella yapıları, dalga benzeri hareketler gerçekleştirerek ileri doğru itme sağlamaktadır. Bu tuhaf esneklik özelliği, flagellaların çevrelerine minimum enerji kaybı ile hareket etmesini mümkün kılmaktadır.

Yeni keşfedilen 'tuhaf-bükülme modülü'

Ancak tuhaf esneklik özelliği, flagellaların dalga benzeri hareketinden kaynaklanan itmeyi tam olarak açıklamadığı ortaya çıkmıştır. Bu nedenle modelleme çalışmalarından, araştırmacılar ayrıca flagellaların iç mekaniğini tanımlamak için yeni bir terim türetmiştir: tuhaf-bükülme modülü. Bu kavram, flagellaların içindeki yerel olmayan, karşılıklı olmayan iç etkileşimleri açıklamaktadır.

Araştırmacılar, Chlamydomonas ve sperm hücreleri için çözülebilir basit modellerden biyolojik flagella dalga formlarına kadar, malzeme içindeki bu karmaşık mekanizmaları deşifre etmek için tuhaf-bükülme modülünü incelemişlerdir. Bu yeni terim ve model, sperm hücrelerinin nasıl Newton'un yasalarını çiğneyebildiğini açıklamada önemli bir adım teşkil etmektedir. Bulgular, sadece teorik fizik açısından değil, pratik uygulamalar açısından da önemli sonuçlar doğurmaktadır.

Gelecek uygulamalar ve biyomimikri

Bu keşif, canlı malzemeleri taklit eden küçük, kendi kendine monte olan robotların tasarımında yardımcı olabilir. Araştırmacılar, sperm hücrelerinin hareket mekanizmasını anlamak suretiyle, benzer şekilde hareket edebilen yapay sistemler geliştirilebileceğini öngörmektedir. Ayrıca, modelleme yöntemleri kolektif davranışın altında yatan ilkeleri daha iyi anlamak için kullanılabilir. Sürü halinde hareket eden kuşlar, balıklar veya diğer canlıların davranışlarını açıklamada bu bulgular ışık tutabilir.

Kyoto Üniversitesi'nden araştırma ekibi, bu çalışmanın biyolojik sistemlerin fiziksel davranışlarını anlamamızda devrim niteliğinde olduğunu vurgulamaktadır. Sperm hücrelerinin Newton'un yasalarını çiğnemesi, doğanın ne kadar karmaşık ve şaşırtıcı olduğunu göstermektedir. Gelecek araştırmalar, bu mekanizmaları daha derinlemesine inceleyerek, tıbbi ve teknolojik alanlarda yeni uygulamalar ortaya çıkarabilir.