Ljudski spermiji i neki jednostanični mikroorganizmi kreću se kroz tekući medij („plivaju“) tako što deformiraju svoja tijela na način koji krši Newtonov treći zakon mehanike. Nova istraživanja tog fenomena dovode nas sve bliže otkrivanju i detaljnom razumijevanju mehanizama i fizikalnih svojstava koji im omogućuju da se tako ponašaju.Ta bi otkrića mogla nadahnuti znanstvenike na razvoj mikrorobota koji bi također mogli „zaobići“ ovaj zakon i trošiti manje energije za kretanje.

Biološki mikroplivači i njihove flagele

Poznato je da se Newtonov treći zakon može sažeti u izraz „za svaku akciju postoji jednaka, ali suprotna reakcija“. Sjećate se, zar ne? – puška iz koje je ispaljen metak ima trzaj u suprotnom smjeru… a ako gurate zid, zid vas gura natrag… one kuglice što rade klik-klak i zovu se Newtonovo njihalo… i tome slični primjeri.

Ipak, biofizičari su nedavno počeli istraživati mehaniku ponašanja živih organizama u kojoj pravila trećeg Newtonovog zakona ne vrijede baš doslovno, odnosno, kako je to slikovito rekao Kenta Ishimoto s japanskog Sveučilišta Kyoto: „U ovo slučaju, ako gurnete zid, on vas ne mora nužno odgurnuti natrag; može vam pobjeći, izmaknuti se.“

Studentima fizike se Newtonov treći zakon predočava tako što se provode pokusi koji uključuju guranje i sudaranje predmeta, poput kuglica obješenih u konstrukciji Newtonovog njihala, no u stvarnom svijetu živi organizmi koji su evoluirali tako da racionalno troše vlastitu energiju često uspiju „zaobići“ newtonovsku mehaniku, što zauzvrat znači da im ne treba puno hrane za preživljavanje.

Ishimoto i njegovi kolege Clément Moreau i Kento Yasuda proučavali su ovo svojstvo kod mikroskopskih živih organizama, takozvanih „bioloških mikroplivača“, a rezultate svojega rada objavili su u časopisu PRX Life, u kojem opisuju kako su analizirali kretanje algi i spermija da bi saznali što više o tome kako se tako lako kreću kroz tekućinu unatoč preprekama koje im nameće treći zakon gibanja.

Usredotočili su se na alge Chlamydomonas i na ljudske spermije. I jedni i drugi naime plivaju pomoću flagela – tankih vlakana nalik bičevima koje strše iz glavnog tijela stanice. Flagele su elastične, a u interakciji s tekućinom koja okružuje stanicu mogu i mijenjati oblik. To pomaže kretanju stanice kroz tekućinu prema naprijed na takozvani nerecipročan način. Takve tekućine, napominju biofizičari, obično su guste (viskozne), što znači da je za kretanje kroz njih potreban napor (ulaganje energije).

Nerecipročno raspršivanje količine gibanja

Izraz „nerecipročno kretanje“ opisuje pojavu kada se takve stanice kreću na način da njihovo gibanje flagelama (akcija koja ih usmjerava prema naprijed) ne izaziva jednaku količine reakcije, čime izravno krše treći Newtonov zakon. Ipak, detalji ovog mehanizma još uvijek nisu jasni.

Promatrano na mikroskopskoj razini, istraživači bi shodno važećim fizikalnim zakonima očekivali da će tekućina u kojoj se nalazi „biološki plivač“ na sebe apsorbirati i raspršiti većinu energije koju stanica utroši na pokrete flagela. To bi pak trebalo spriječiti da stanica otpliva daleko – štoviše, da se uopće kreće – bez obzira koliko žustro mahala svojim elastičnim bičevima.

Slikovitije opisano, zamislite sebe kako u cipelama s glatkim potplatima pokušavate potrčati po ledenoj površini klizališta. Osim što ćete izgledati poput glumca u filmovima zlatnog doba nijemih filmskih slapstick komedija, čak i ako ne padnete na nos ili stražnjicu, mlataranjem nogama utrošit ćete puno energije, a pomaknuti se vrlo malo ili nikako.

Modul čudne elastičnosti

U želji da otkriju kako se „biološki plivači“ uspijevaju kretati unatoč očiglednoj prepreci uzrokovanoj rasipanjem energije, istraživači su se prihvatili detaljnog analiziranja načina na koji se za vrijeme plivanja kreću bičevi (flagele) spermija i bičaških algi. Opazili su da te flagele imaju neobično svojstvo elastičnosti (nazvali su ga maštovitim nazivom „čudna elastičnost“, „odd elasticity“), a koje flagelama omogućuje valovito-kružne kretnje bez rasipanja previše energije u tekući medij u kojem plivaju.

Dok spermij ili alge plivaju, flagele se pokreću tako da racionalno koriste pomake tekućine koje uzrokuju svojim mahanjem, pa na taj način ne raspršuju puno energije u okoliš. Izvijajući se i mijenjajući oblik kao odgovor na te pomake tekućine, flagele tijekom aktivnog gibanja uspijevaju spriječiti jednakomjernu suprotnu reakciju, čime štede energiju svog vlasnika.

Štoviše, istraživači su tu „čudnu elastičnost“ uspjeli kvantificirati i tako došli do broja koji se naziva „modul čudne elastičnosti“ (odd elastic modulus). Što je taj broj veći, flagela može toliko više mahati, a da okolna tekućina pritom ne apsorbira energiju pokreta i spriječi gibanje stanice. To pak omogućuje spermiju ili algi nerecipročno gibanje prema naprijed.

Korak prema štedljivim mekanim mikrorobotima

Biofizičar Clément Moreau, koji je također radio na studiji, kaže da bi izračun modula čudne elastičnosti kod različitih vrsta mikroplivačkih mikroorganizama i stanica mogao pomoći znanstvenicima da ih klasificiraju i utvrde postoje li dodatne značajke koje im pomažu da ne poštuju treći Newtonov zakon.

Profesor Piotr Surówka sa Sveučilišta za znanost i tehnologiju Wrocław napominje kako trenutačno još uvijek ne znamo koji sve procesi pomažu mikroplivačima u prkošenju trećem zakonu gibanja. On kaže da bi izračunavanje i definiranje modula čudne elastičnosti i sličnih brojeva moglo pomoći u stvaranju svojevrsnog „klasifikacijskog kataloga“ organizama koji su sposobni za nerecipročno gibanje. Spermiji i bičaške alge nisu jedine stanice koje posjeduju flagele; posve je izvjesno da postoje i drugi „prekršitelji zakona“ koji čekaju da tek budu otkriveni.

Većina istraživača koji su imali uvid u dosadašnje rezultate proučavanja nerecipročnog kretanja vjeruje da bi timski pristup u provođenju daljnjih eksperimenata mogao rezultirati podacima iz kojih bi se crpila inspiracija i ideje za dizajn i izradu umjetnih plivača, malenih mekanih mikrorobota („microsoftbots“), koji bi mogli još učinkovitije kršiti treći Newtonov zakon, štedeći veće količine energije uz postizanje boljih performansi pri kretanju kroz tekuće medije.

^{Igor „Doc“ Berecki je pedijatar-intenzivist na Odjelu intenzivnog liječenja djece Klinike za pedijatriju KBC Osijek. Pobornik teorijske i praktične primjene medicine i znanosti temeljene na dokazima, opušta se upitno ne-stresnim aktivnostima: od pisanja znanstveno-popularnih tekstova i objavljivanja ilustracija u tiskanom izdanju časopisâ BUG, crtkanja računalnih grafika i primijenjenog dizajna, zbrinjavanja pasa i mačaka, fejsbučkog blogiranja o životnim neistinama i medicinskim istinama, sve do kuhanja upitno probavljivih craft-piva i sasvim probavljivih jela, te neprobavljivog sviranja bluesa.}