Los espermatozoides humanos pueden nadar a través de fluidos sorprendentemente viscosos con facilidad y aparentemente desafían la tercera ley del movimiento de Newton para hacerlo. Para descubrir cómo se deslizan a través de sustancias que, en teoría, deberían resistir su movimiento, un equipo dirigido por Kenta Ishimoto, un científico matemático de la Universidad de Kioto, investigó hace unos años los movimientos de los espermatozoides y otros nadadores biológicos microscópicos. Cuando Sir Isaac Newton concibió sus ahora famosas leyes del movimiento en 1686, buscó explicar la relación entre un objeto físico y las fuerzas que actúan sobre él con unos pocos principios claros que, resulta, no necesariamente se aplican a células microscópicas que se mueven a través de fluidos pegajosos.
La tercera ley de Newton se puede resumir como “a cada acción corresponde una reacción igual y opuesta”. Representa una simetría particular en la naturaleza, donde fuerzas opuestas actúan entre sí.
En el ejemplo más simple, dos canicas del mismo tamaño que chocan mientras ruedan por el suelo transferirán su fuerza y rebotarán según esta ley. Sin embargo, la naturaleza es caótica, y no todos los sistemas físicos están sujetos a estas simetrías. Las llamadas interacciones no recíprocas se manifiestan en sistemas desordenados compuestos por bandadas de aves, partículas en un fluido y espermatozoides nadando.
Estos agentes móviles se mueven de maneras que muestran interacciones asimétricas con los animales detrás de ellos o los fluidos que los rodean, formando un vacío para que fuerzas iguales y opuestas eviten la tercera ley de Newton. Debido a que las aves y las células generan su propia energía, que se agrega al sistema con cada aleteo o movimiento de su cola, el sistema se aleja del equilibrio y no se aplican las mismas reglas.
En su estudio, publicado en octubre de 2023, Ishimoto y sus colegas analizaron datos experimentales sobre espermatozoides humanos y también modelaron el movimiento de las algas verdes Chlamydomonas. Ambas nadan utilizando flagelos delgados y flexibles que sobresalen del cuerpo celular y cambian de forma, o se deforman, para impulsar las células hacia adelante.
Los fluidos altamente viscosos normalmente disiparían la energía de un flagelo, impidiendo el movimiento de un espermatozoide o de un alga unicelular. Sin embargo, de alguna manera, los flagelos elásticos pueden impulsar a estas células sin provocar una respuesta del entorno. Los investigadores descubrieron que las colas de los espermatozoides y los flagelos de las algas tienen una “elasticidad extraña” que permite que estos apéndices flexibles se muevan sin perder mucha energía en el fluido circundante.
Pero esta propiedad de elasticidad impar no explicaba completamente la propulsión del movimiento ondulatorio de los flagelos. Por ello, a partir de sus estudios de modelado, los investigadores también derivaron un nuevo término, el módulo elástico impar, para describir la mecánica interna de los flagelos.
“Desde modelos simples solucionables hasta formas de onda flagelares biológicas para Chlamydomonas y células espermáticas, estudiamos el módulo de flexión impar para descifrar las interacciones internas no locales y no recíprocas dentro del material”, concluyeron los investigadores.
Los hallazgos podrían ayudar en el diseño de pequeños robots autoensamblables que imiten materiales vivos, mientras que los métodos de modelado podrían usarse para comprender mejor los principios subyacentes del comportamiento colectivo, dijo el equipo.
El estudio fue publicado en PRX Life.
Nota de la fuente: Una versión anterior de este artículo se publicó en octubre de 2023.
Fuente: Science Alert.
