人类精子能够轻松地在黏性惊人的液体中畅游，而且它们似乎违背了牛顿第三运动定律。
几年前，为了弄清楚精子如何在理论上本应阻碍其运动的物质中穿梭，由京都大学数学科学家石原健太领导的一个团队，对精子和其他微观生物游动体的运动展开了研究。
1686 年，艾萨克·牛顿爵士提出了如今著名的运动定律，他试图用一些简洁的原理来解释物理对象与作用于其上的力之间的关系，然而事实证明，这些原理不一定适用于在黏性液体中扭动的微观细胞。
牛顿第三定律可以概括为“每一个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力”。它体现了自然界中一种特定的对称性，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地面上滚动碰撞时，会根据这条定律传递它们的力并反弹。然而，自然界是混沌的，并非所有物理系统都受这些对称性的约束。所谓的非互易相互作用，出现在由成群的鸟类、流体中的粒子以及游动的精子组成的无序系统中。
这些运动体的运动方式，显示出与它们身后的动物或周围的流体之间的不对称相互作用，为大小相等、方向相反的力避开牛顿第三定律形成了一个漏洞。
由于鸟类和细胞自身产生能量，每次翅膀扇动或尾巴摆动时，能量就会被添加到系统中，这使得系统远离平衡状态，同样的规则也就不再适用。
在 2023 年 10 月发表的研究中，石原健太和同事分析了人类精子的实验数据，还对绿藻（衣藻）的运动进行了建模。这两者都利用从细胞体伸出的细而柔韧的鞭毛游动，鞭毛通过改变形状或变形来推动细胞前进。
高黏性流体通常会耗散鞭毛的能量，从而阻止精子或单细胞藻类移动。但不知为何，弹性鞭毛能够在不引起周围...
研究人员发现，精子尾巴和藻类鞭毛具有一种“奇弹性”，这使得这些灵活的附属物在运动时，不会向周围流体损失太多能量。
但这种奇弹性属性并不能完全解释鞭毛波浪式运动产生的推进力。因此，通过建模研究，研究人员还推导出一个新术语——奇弹性模量，来描述鞭毛的内部力学机制。
研究人员总结道：“从可解的简单模型到衣藻和精子细胞的生物鞭毛波形，我们研究了奇弯曲模量，以解读材料内部的非局部、非互易相互作用。”
研究团队表示，这些发现有助于设计模仿生物材料的小型自组装机器人，而建模方法可用于更好地理解集体行为的潜在原理。
该研究发表在《PRX Life》杂志上。