Bilim Dünyasında Şok: Spermler Fizik Yasalarını Altüst Etti

Sperm hücrelerinin, normal şartlarda hareketlerini neredeyse anında durdurabilecek kadar yoğun ve dirençli sıvılar içerisinde nasıl yol alabildikleriyle ilgili şaşırtıcı bir keşif yapıldı. Kyoto Üniversitesi'nden matematik bilimci Kenta Ishimoto liderliğinde yürütülen araştırma, sperm hücrelerinin "aktif canlı madde" özelliklerini kullanarak fizik kurallarının alışılmış sınırlarını zorladığını ortaya koydu.

Mikroskobik ölçeklerde sıvıların davranışı, havuzdaki su gibi değildir; aksine hareketi anında engelleyen kalın bir bariyer gibi hareket ederler. Newton'un üçüncü yasasına göre her etkiye karşı eşit ve zıt bir tepki oluşur. Ancak sperm hücreleri, sürekli olarak kendi hareketlerine enerji pompalayan "aktif sistemler" oldukları için bu simetriyi aşmayı başarırlar. Araştırmacılar, mekanik enerjinin mikroskobik aktif birimlerden enjekte edildiği açık sistemlerde, Newton'un üçüncü yasasının geleneksel anlamda ihlal edilebileceğini belirtiyor.

Sperm hücreleri için eylemsizlik kavramı önemsizken, viskozite (akışkanlık direnci) hakimdir. Bu durum, bilim dünyasında "deniz kabuğu teoremi" (scallop theorem) olarak bilinen bir sorunu ortaya çıkarır: Mikroskobik bir yüzücü, viskoz bir sıvı içinde sadece ileri-geri tekrarlayan bir hareketle ilerleyemez. İlerleme kaydedebilmek için hareketin mükemmel şekilde tersine çevrilemez olması gerekir.

Sperm hücreleri bu sorunu, boyunca gezgin dalgalar gönderen esnek kuyrukları (flagella) ile çözerler. Bu dalgalar, kuyruğun içindeki moleküler motorlar tarafından beslenir. Bu enerji girişi, kuyruğun pasif bir yay gibi değil, "aktif bir materyal" gibi davranmasını sağlar.

Çalışmanın merkezinde yer alan "tuhaf elastikiyet" (odd elasticity) kavramı, hareketin sırrını açıklıyor. Standart elastik malzemelerde kuvvet ve tepki karşılıklıdır; ancak aktif malzemelerde, iç enerji kaynakları uygulanan kuvveti aynalamayan farklı tepkiler üretebilir. Bu karşılıklı olmayan davranış, yoğun sıvıların enerjiyi emdiği durumlarda bile dalgaların sürdürülmesine yardımcı olur. Araştırmacılar, bu süreci tanımlamak için "tuhaf elastohidrodinamik" adını verdikleri yeni bir teorik çerçeve geliştirmiş bulunuyorlar.