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精子细胞不应该是游泳健将。在微观尺度上，流体的行为与池中的水不同。它的作用更像是一个厚厚的屏障，几乎立即停止运动。然而，精子细胞仍然会挥舞着尾巴向前推进，即使是穿过强烈抵抗它们的液体。

京都大学数学科学家石本健太领导的一项研究表明，精子通过利用生命物质的一个奇怪特征来实现这一点。它们的运动似乎回避了牛顿第三定律所描述的通常的作用与反作用对称性。

牛顿第三定律通常被概括为“对于每一个作用，都会产生一个大小相等且方向相反的反应”。这一原理适用于日常物体，例如两个弹珠碰撞和弹开。但精子是活跃的系统。他们不断地为自己的运动增添能量。

正如研究人员所写，“当我们将其视为一个开放系统，其机械能是从微观活动单元注入时，牛顿第三定律可能会被违反。”

换句话说，精子并没有破坏物理学。他们揭示了当生命系统从内部将能量注入周围环境时会发生什么。

Why Tiny Swimmers Face a Different Kind of Physics

对于精子来说，两次冲程之间不存在滑动。在它们的规模上，惯性几乎无关紧要，粘度占主导地位。如果尾巴停止跳动，细胞几乎立即停止移动。

这就产生了一个称为扇贝定理的问题。微观游泳者无法通过简单地重复一个运动然后反向运动来在粘性流体中移动。为了取得进展，它需要一个不完全可逆的行程。

精子通过鞭毛解决了这个问题，鞭毛是一种薄而灵活的尾巴，可以沿着其长度发送行波。衣藻等绿藻使用类似的结构来游泳。

这些波由鞭毛内的分子马达提供动力。由于这些电机将能量注入尾部，因此它的行为不太像被动弹簧，而更像是主动材料。

The “Odd” Elasticity Behind the Motion

这项研究的重点是一种称为奇弹性的特性。在普通弹性材料中，力和响应是相反的。弯曲或拉伸它们，它们就会以可预测的方式向后推。

奇怪的弹性允许不同类型的响应。在活性材料中，内部能量源可以产生的力并不简单地反映作用在其上的力。即使粘稠的流体会消耗运动能量，这种非互易行为也有助于维持波浪。

为了描述这个过程，研究人员开发了一个称为奇弹流体动力学的框架。他们表示，它“为研究粘性流体中弹性材料的非局部、非互易相互作用提供了一个统一的框架。”

这种方法帮助他们将周围液体的作用与鞭毛内部发生的情况分开。这种区别很重要，因为阻力可以隐藏实际产生波的内部机制。

该团队还引入了奇弹性模量，这是一种数学工具，用于区分普通弹性行为和驱动运动的主动非互易力。

What the Researchers Found

该团队将其模型应用于人类精子数据和衣藻（一种具有跳动鞭毛的绿藻）。结果表明，这些游泳者利用内部活动通过其灵活的尾巴产生行波。

在人类精子模型中，内部活动有助于产生鞭毛波，而被动弹性似乎可以稳定和松弛鞭毛波。在衣藻中，非互易反应与鞭毛节拍的波形相匹配，表明奇怪的弹性有助于为运动提供动力。

研究人员得出的结论是，他们的框架可以揭示“材料内非局部、非互惠的内部相互作用”。

简而言之，精子尾巴不仅仅是一根小鞭子。它是一种消耗能量的结构，其内部力学帮助它穿过一个普通的来回运动无法实现的世界。

这些发现可以帮助科学家了解生命系统如何移动，从单个细胞到协调游泳者群体。它们还可以指导微型自组装机器人、人造微型游泳者或模仿活体运动的软材料的设计。

参考文献：“奇怪的弹性流体动力学：粘性流体中的非互易活性材料”作者：Kenta Ishimoto、Clément Moreau 和 Kento Yasuda，2023 年 10 月 11 日，PRX Life。
DOI: 10.1103/PRXLife.1.023002