Menschliche Spermien verstoßen scheinbar gegen Newtons Naturgesetz

Menschliche Spermien können sich mühelos durch zähe, viskose Flüs­sig­kei­ten bewegen - ein Verhalten, das Newtons drittem Be­we­gungs­ge­setz zu widersprechen scheint. Warum das funk­tio­niert, erforscht ein internationales Forschungsteam.

Die klassische Physik

Newtons drittes Gesetz, das seit 1686 als Grundpfeiler der Physik gilt, besagt: "Jede Aktion hat eine gleich große, aber entgegengesetzte Reaktion." Doch im Mikrokosmos lebender Zellen stoßen klassische physikalische Gesetze an ihre Grenzen. Bewegliche Mikroorganismen wie Spermien oder Algen verhalten sich nicht immer symmetrisch - sie erzeugen Kräfte, die nicht unmittelbar erwidert werden.

Die Forscher unter der Leitung von Kenta Ishimoto von der Universität Kyoto analysierten experimentelle Daten zur Bewegung menschlicher Spermien und modellierten zudem die Fortbewegung der Grünalge Chlamydomonas, berichtete Science Alert. Beide Zelltypen nutzen sogenannte Geißeln, elastische, peitschenartige Anhängsel, um sich fortzubewegen. In hochviskosen Flüssigkeiten würden diese Fortsätze normalerweise schnell Energie verlieren. Doch offenbar gelingt es den Zellen, sich damit dennoch effektiv voranzutreiben.


Die Erklärung liegt in einer besonderen mechanischen Eigenschaft der Geißeln: der sogenannten "odd elasticity" - eine ungewöhnliche Form der Elastizität, die Energieverluste im zähen Medium minimiert. Um das komplexe Verhalten noch genauer zu beschreiben, führten die Wissenschaftler zusätzlich einen neuen Begriff ein: den "odd elastic modulus", der die inneren, nicht reziproken Interaktionen im Material der Geißel erfasst.

Wichtig für Nano-Roboter

Diese Ergebnisse zeigen, dass sich mikroskopische Schwimmer - anders als große physikalische Objekte - in Systemen fernab des Gleichgewichts bewegen und dabei eigene Energie einbringen, wodurch klassische physikalische Gesetze ausgehebelt werden können.

Die Erkenntnisse könnten weitreichende Folgen haben. Sie liefern nicht nur neue Einblicke in die Biophysik lebender Systeme, sondern könnten auch die Entwicklung neuartiger, mikroskopischer Roboter inspirieren, die sich wie lebende Zellen durch Flüssigkeiten bewegen.


Siehe auch: