Cientistas Observam Espermatozóides a Desafiar uma Lei Fundamental da Física

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De acordo com um estudo recente, os espermatozóides humanos utilizam as suas caudas delgadas para navegar através de fluidos espessos, parecendo desafiar a terceira lei do movimento de Newton. Esta investigação examina também os padrões de movimento destas células sexuais ao lado de algas unicelulares.

Explorando Interações Não-Recíprocas em Nadadores Microscópicos

Kenta Ishimoto, um cientista matemático da Universidade de Quioto, e a sua equipa exploraram as interações únicas e não recíprocas dos espermatozóides e de outros nadadores microscópicos para compreender como se movem através de substâncias que, teoricamente, deveriam resistir ao seu movimento.

Quando Newton formulou as suas famosas leis do movimento em 1686, pretendia clarificar a relação entre objectos físicos e forças com princípios simples – princípios que não se aplicam necessariamente a células minúsculas que se movem através de fluidos espessos. A terceira lei de Newton, frequentemente enunciada como “para cada ação, há uma reação igual e oposta”, sugere uma simetria natural em que forças opostas se contrabalançam. Uma ilustração simples é a de dois berlindes de tamanho igual que colidem e fazem ricochete ao rolarem no chão, de acordo com esta lei.

Micrografia eletrónica de varrimento de uma célula de esperma numa trompa de Falópio. (Science Photo Library/Canva)

A natureza é complexa e nem todos os sistemas físicos aderem estritamente a estas simetrias. Interações não recíprocas surgem em sistemas imprevisíveis como bandos de pássaros, partículas em fluidos e espermatozóides a nadar.

Movimento assimétrico e a lacuna na terceira lei de Newton

Estes agentes móveis movem-se de forma a criar interações assimétricas com os animais que os rodeiam ou com os fluidos circundantes, formando uma espécie de lacuna na terceira lei de Newton. Uma vez que as aves e as células geram a sua própria energia – com cada batida de asa ou movimento da cauda a acrescentar energia ao sistema – isto afasta o sistema do equilíbrio, tornando inaplicáveis as regras físicas padrão.

Além disso, no seu estudo de outubro de 2023, Ishimoto e a sua equipa analisaram dados experimentais sobre o esperma humano e modelaram o movimento das algas verdes, Chlamydomonas. Ambas nadam utilizando flagelos finos e flexíveis que se estendem do corpo celular e que mudam de forma para as impulsionar para a frente.

Alga verde (Chlamydomonas globosa) com dois flagelos visíveis no canto inferior esquerdo. (Picturepest/CC BY 2.0/Wikimedia Commons)

Como os Flagelos Elásticos Propulsionam as Células em Fluidos Viscosos

No entanto, fluidos altamente viscosos absorveriam grande parte da energia de um flagelo, dificultando o movimento eficaz de espermatozóides ou de algas unicelulares. No entanto, os flagelos elásticos de alguma forma impulsionam estas células sem perda significativa de energia para o fluido circundante.

Os investigadores descobriram que as caudas dos espermatozóides e os flagelos das algas possuem uma “elasticidade estranha”, que permite a estas estruturas flexíveis moverem-se com uma dissipação mínima de energia. No entanto, esta estranha elasticidade, por si só, não explica totalmente como é que o movimento ondulatório dos flagelos cria propulsão. Através da sua modelação, os investigadores identificaram um novo conceito: um “módulo de elasticidade estranho”, para captar com maior precisão a mecânica interna dos flagelos.

“Ao estudar modelos solucionáveis e formas de onda flagelares biológicas para Chlamydomonas e espermatozóides, explorámos o módulo de flexão ímpar para compreender as interações não locais e não recíprocas no interior do material”, concluíram os investigadores.

Para concluir, a equipa observou que estas descobertas poderiam ajudar a conceber pequenos robôs de auto-montagem que imitam materiais vivos. Além disso, os métodos de modelação podem fornecer informações mais profundas sobre os princípios fundamentais subjacentes ao comportamento coletivo.

Leia o Artigo Original: Science Alert

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