Una nuova frontiera nella biomeccanica si sta esplorando attraverso lo studio dello spermatozoo, rivelando come il suo meccanismo di propulsione unico in mezzi altamente viscosi sembri aggirare l’applicazione diretta della terza legge di Newton. I ricercatori stanno ora individuando le proprietà specifiche che consentono un movimento così efficiente in questi complessi sistemi fuori dall’equilibrio.
Il mistero del nuoto di uno spermatozoo: una sfida alle leggi di Newton?
Gli spermatozoi umani presentano una sorprendente capacità di navigare con facilità attraverso fluidi viscosi, un fenomeno che, a prima vista, sembrerebbe contraddire la terza legge del moto di Newton. Questa apparente anomalia ha spinto un team di ricerca, guidato da Kenta Ishimoto, matematico dell’Università di Kyoto, a dedicarsi allo studio approfondito del movimento degli spermatozoi e di altri organismi microscopici capaci di nuotare in ambienti complessi. L’obiettivo era comprendere come queste cellule riescano a scivolare in sostanze che, in base ai principi della fisica classica, dovrebbero opporre una significativa resistenza al loro progresso.
Quando Sir Isaac Newton formulò le sue celebri leggi del moto nel 1686, intendeva delineare la relazione tra un oggetto fisico e le forze che agiscono su di esso attraverso principi intuitivi. Tuttavia, si è scoperto che questi principi non sempre si applicano direttamente al comportamento di cellule microscopiche che si muovono in fluidi “appiccicosi”. La terza legge di Newton, sintetizzabile nel concetto di “ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria”, descrive una simmetria fondamentale nella natura, dove forze opposte si bilanciano reciprocamente.
In contesti macroscopici, come quello di due biglie che si scontrano e trasferiscono forza al suolo rimbalzando secondo la legge di azione e reazione, tale simmetria è evidente. Tuttavia, la natura è intrinsecamente caotica e non tutti i sistemi fisici sono rigidamente vincolati da queste simmetrie. I cosiddetti sistemi con interazioni non reciproche si manifestano in fenomeni “indisciplinati” come gli stormi di uccelli, il movimento di particelle nei fluidi e, appunto, il nuoto degli spermatozoi.
Questi agenti mobili operano in modi che esibiscono interazioni asimmetriche con l’ambiente circostante o con gli altri elementi presenti. Questa asimmetria crea una sorta di “scappatoia”, permettendo alle forze di aggirare la rigida applicazione della terza legge di Newton e consentendo a questi microrganismi di muoversi in modi che altrimenti sarebbero inspiegabili secondo le sole regole della fisica classica.
L’enigma del moto microbico: quando l’energia oropria sospende le regole
Quando si tratta di sistemi che generano la propria energia, come gli stormi di uccelli o le cellule che nuotano, le dinamiche cambiano radicalmente. L’energia continuamente immessa nel sistema, sia da un battito d’ali che da un movimento della coda, lo spinge lontano dall’equilibrio termodinamico, facendo sì che le regole della fisica classica non si applichino più nel modo consueto. Questo è il punto focale della ricerca condotta da Ishimoto e dal suo team.
Nel loro studio approfondito, Ishimoto e i suoi colleghi non si sono limitati all’analisi dello sperma umano, ma hanno anche modellizzato il movimento dell’alga verde Chlamydomonas. Entrambi questi microrganismi utilizzano i flagelli, sottili e flessibili appendici che sporgono dal corpo cellulare. Questi flagelli si deformano in un movimento ondulatorio per spingere le cellule in avanti. La teoria suggerirebbe che fluidi altamente viscosi dissiperebbero rapidamente l’energia di un flagello, impedendo a uno spermatozoo o a un’alga unicellulare di muoversi efficacemente. Eppure, in qualche modo, questi flagelli elastici riescono a propellere le cellule senza generare una risposta ambientale che ne ostacoli il movimento.
I ricercatori hanno scoperto che le code degli spermatozoi e i flagelli delle alghe possiedono una proprietà unica, definita “strana elasticità”. Questa caratteristica consente a queste appendici flessibili di muoversi in modo efficiente, minimizzando la perdita di energia nel fluido circostante. Tuttavia, la sola “strana elasticità” non era sufficiente a spiegare completamente la propulsione generata dal moto ondulatorio dei flagelli.
Partendo dai loro studi di modellizzazione, i ricercatori hanno quindi introdotto un nuovo concetto: il “modulo elastico dispari”. Questo termine descrive le intricate meccaniche interne dei flagelli, andando oltre la semplice elasticità. Come hanno concluso gli scienziati, “da modelli semplici risolvibili a forme d’onda flagellari biologiche per Chlamydomonas e spermatozoi, abbiamo studiato il modulo di flessione dispari per decifrare le interazioni interne non locali e non reciproche all’interno del materiale”.
Questa nuova comprensione del modulo elastico dispari fornisce una chiave essenziale per svelare i segreti di come questi straordinari nuotatori microscopici riescano a muoversi in ambienti complessi, apparentemente sfidando le leggi della fisica che conosciamo.
Dalla biologia alla robotica: ispirazioni per il futuro
Secondo il team di ricerca, le implicazioni di questi affascinanti risultati vanno ben oltre la comprensione del movimento microscopico in natura. Le scoperte relative alla “strana elasticità” e al “modulo elastico dispari” dei flagelli, uniche nel loro genere, potrebbero rivelarsi fondamentali per la progettazione di piccoli robot autoassemblanti.
Microrobot capaci di navigare e operare in ambienti complessi con l’efficienza e l’autonomia che caratterizzano gli spermatozoi o le alghe. Questi robot, imitando la materia vivente, potrebbero rivoluzionare campi come la medicina, con dispositivi in grado di veicolare farmaci in modo mirato, o l’ingegneria dei materiali, con sistemi capaci di costruire strutture complesse a livello nanometrico.
Non solo l’applicazione pratica nella robotica, ma anche le metodologie di modellazione sviluppate in questo studio aprono nuove prospettive. La capacità di simulare e analizzare con tale dettaglio le interazioni asimmetriche e non reciproche all’interno di sistemi microscopici offre uno strumento potente per comprendere meglio i principi alla base del comportamento collettivo.
Che si tratti di stormi di uccelli, banchi di pesci o aggregazioni batteriche, molti sistemi viventi mostrano dinamiche complesse che sfidano le spiegazioni basate sulle sole leggi newtoniane. I metodi di modellazione affinati in questa ricerca possono aiutare a decifrare come interazioni apparentemente semplici a livello individuale possano dare origine a comportamenti emergenti complessi su scala più ampia, svelando i segreti dell’auto-organizzazione e della coordinazione in natura.
Lo studio è stato pubblicato su PRX Life.
