Com as suas caudas em forma de chicote, os espermatozoides humanos impulsionam-se através de fluidos viscosos, aparentemente desafiando a terceira lei do movimento de Newton, de acordo com um novo estudo que caracteriza o movimento destas células sexuais e algas unicelulares.
Kenta Ishimoto, cientista matemático da Universidade de Quioto, e colegas investigaram estas interações não recíprocas em espermatozoides e outros nadadores biológicos microscópicos, para descobrir como deslizam através de substâncias que deveriam, em teoria, resistir ao seu movimento.
Quando Newton concebeu suas agora famosas leis do movimento em 1686, ele procurou explicar a relação entre um objeto físico e as forças que agem sobre ele com alguns princípios claros que, ao que parece, não se aplicam necessariamente a células microscópicas que se contorcem através de fluidos pegajosos.
A terceira lei de Newton pode ser resumida como “para cada ação há uma reação igual e oposta”. Significa uma simetria particular na natureza, onde forças opostas agem umas contra as outras. No exemplo mais simples, duas bolas de gude de tamanhos iguais colidindo enquanto rolam no chão transferirão sua força e ricochetearão com base nesta lei.
No entanto, a natureza é caótica e nem todos os sistemas físicos estão limitados por estas simetrias. As chamadas interações não recíprocas aparecem em sistemas indisciplinados compostos por pássaros em bandos, partículas em fluidos – e espermatozoides nadadores.
Esses agentes móveis se movem de maneiras que exibem interações assimétricas com os animais atrás deles ou com os fluidos que os cercam, formando uma brecha para forças iguais e opostas contornarem a terceira lei de Newton.
Como os pássaros e as células geram sua própria energia, que é adicionada ao sistema a cada bater de asas ou chicote de cauda, o sistema é empurrado para longe do equilíbrio e as mesmas regras não se aplicam.
Ishimoto e colegas analisaram dados experimentais sobre esperma humano e também modelaram o movimento de algas verdes, Chlamydomonas. Ambos nadam usando flagelos finos e flexíveis que se projetam do corpo celular e mudam de forma, ou se deformam, para impulsionar as células para frente.
Fluidos altamente viscosos normalmente dissipariam a energia de um flagelo, impedindo que um espermatozoide ou uma alga unicelular se movesse muito. E ainda assim, de alguma forma, os flagelos elásticos podem impulsionar essas células sem provocar uma resposta do ambiente.
Os pesquisadores descobriram que as caudas dos espermatozoides e os flagelos das algas têm uma “elasticidade estranha”, que permite que esses apêndices flexíveis se movam sem perder muita energia para o fluido circundante.
Mas esta propriedade de elasticidade estranha não explicava completamente a propulsão do movimento ondulatório dos flagelos. Assim, a partir dos seus estudos de modelação, os investigadores também derivaram um novo termo, um módulo de elasticidade estranho, para descrever a mecânica interna dos flagelos.
“Desde modelos simples solucionáveis até formas de onda flagelares biológicas para Chlamydomonas e espermatozoides, estudamos o módulo de curvatura ímpar para decifrar as interações internas não locais e não recíprocas dentro do material”, concluem os pesquisadores.
As descobertas podem ajudar no projeto de pequenos robôs automontados que imitam materiais vivos, enquanto os métodos de modelagem podem ser usados para compreender melhor os princípios subjacentes ao comportamento coletivo, acrescenta a equipe.
Traduzido por Mateus Lynniker de ScienceAlert
