尽管在微观尺度下，流体对运动的阻力巨大，足以瞬间停止物体，但精子细胞却能凭借其摆动的尾部持续向前推进。京都大学数学科学家石本健太（Kenta Ishimoto）领导的一项新研究揭示，精子之所以能做到这一点，是利用了活性生命物质的独特属性，其运动方式似乎规避了牛顿第三定律所描述的常见作用与反作用对称性。

在微观世界中，流体的行为与游泳池中的水截然不同，它更像是一道厚重的屏障，几乎能立即阻止任何运动。因此，精子细胞本不应是“强壮”的游泳者。在这一尺度下，惯性几乎无关紧要，粘度占据主导地位。如果精子尾部停止摆动，细胞几乎会立即停止移动。这引出了一个被称为“扇贝定理”（scallop theorem）的问题：微观游泳器不能仅仅通过重复一个动作然后反向重复来在粘性流体中前进；它需要一种不可逆的运动方式才能实现有效推进。

研究人员指出，精子作为一种活性系统，不断地为其自身运动注入能量。他们写道：“当我们将精子视为一个开放系统，其机械能由微观活性单元注入时，牛顿第三定律可能会被‘违反’。”换言之，精子并非打破了物理定律，而是揭示了当生命系统从内部向其周围环境泵送能量时所发生的情况。

精子通过其鞭毛（flagella）——细长柔韧的尾部——解决了“扇贝定理”的难题。鞭毛沿着其长度产生行波，从而推动细胞前进。绿藻如衣藻（Chlamydomonas）也使用类似的结构进行游动。这些行波由鞭毛内部的分子马达提供动力。由于这些马达持续向尾部注入能量，鞭毛的行为更像是一种活性材料，而非被动的弹簧。

这项研究的核心概念是一种被称为“奇特弹性”（odd elasticity）的属性。在普通弹性材料中，力和响应是相互的；弯曲或拉伸它们，它们会以可预测的方式反向作用。然而，“奇特弹性”允许一种不同的响应方式：在活性材料中，内部能量源可以产生不简单地镜像作用于其上的力。这种非互易性行为有助于维持行波，即使厚重的流体不断消耗运动能量。为了描述这一过程，研究人员开发了一个名为“奇特弹性流体力学”（odd elastohydrodynamics）的框架，他们认为这“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”。

这种新方法帮助研究团队区分了周围流体的影响和鞭毛内部实际发生的情况。这种区分至关重要，因为流体阻力可能会掩盖实际产生波动的内部力学机制。该团队还引入了一个奇特弹性模量（odd-elastic modulus），这是一个数学工具，用于区分普通弹性行为与驱动运动的活性、非互易力。

研究团队将他们的模型应用于人类精子数据和衣藻（一种具有摆动鞭毛的绿藻）。结果表明，这些微观游泳器利用内部活性在其柔韧的尾部产生行波。在人类精子模型中，内部活性有助于产生鞭毛波，而被动弹性则似乎稳定和放松了它。在衣藻中，非互易性响应与鞭毛摆动的波形模式相匹配，这表明“奇特弹性”有助于为运动提供动力。

研究人员总结道，他们的框架能够揭示“材料内部的非局部、非互易相互作用”。简而言之，精子尾部不仅仅是一根微小的鞭子，它是一个消耗能量的结构，其内部力学机制帮助它在一个普通往复运动会失效的世界中前进。这些发现有助于科学家理解生命系统如何运动，从单细胞到协调的群体游泳者。它们也可能指导微型自组装机器人、人工微型游泳器或模仿生命运动的软材料的设计。