Nadando contra a Lei de Newton: O mistério da propulsão de espermatozoides e algas
Em um estudo recente, pesquisadores se aprofundaram nos mecanismos de propulsão únicos usados pelos espermatozoides humanos e algas unicelulares enquanto navegam por fluidos viscosos, desafiando os princípios convencionais da terceira lei de Newton do movimento.
Kenta Ishimoto, um matemático da Universidade de Kyoto, juntamente com sua equipe, embarcou em uma exploração dessas interações não convencionais exibidas pelos nadadores biológicos microscópicos, com o objetivo de desvendar os mistérios por trás de sua capacidade de se moverem eficientemente em ambientes que deveriam inerentemente impedir seu progresso.
A terceira lei de Newton, que postula que “para toda ação, há uma reação igual e oposta”, delineia uma relação simétrica entre as forças na natureza. No entanto, nem todos os sistemas na natureza seguem essa simetria, pois certas interações não recíprocas se manifestam em sistemas caóticos como bandos de pássaros, partículas suspensas em fluidos e, intrigantemente, espermatozoides nadadores.
Essas entidades móveis manobram de maneira que interrompem a simetria esperada das interações com seu ambiente ou o fluido que os envolve, criando uma exceção à terceira lei de Newton. Aves e células, devido à sua capacidade de gerar sua própria energia, introduzem um fator adicional na equação a cada movimento, empurrando o sistema longe do equilíbrio e se desviando das regras convencionais.
A equipe de pesquisa examinou dados experimentais relacionados a espermatozoides humanos e também empregou técnicas de modelagem para entender o movimento de algas verdes, especificamente Chlamydomonas. Ambas as entidades usam flagelos finos e flexíveis que se estendem a partir de seus corpos celulares e alteram sua forma para se impulsionarem para frente.
Em um meio altamente viscoso, seria de se esperar que a energia de um flagelo fosse dissipada rapidamente, dificultando o movimento de espermatozoides ou algas unicelulares. No entanto, esses flagelos elásticos conseguem impulsionar essas células sem provocar uma resposta contrária de seu ambiente.
Os cientistas descobriram que as caudas dos espermatozoides e os flagelos das células de algas possuem uma “elasticidade incomum” que permite a esses apêndices flexíveis se movimentarem livremente enquanto conservam energia no fluido circundante.
No entanto, essa elasticidade peculiar por si só não fornecia uma explicação completa para a propulsão em forma de onda gerada pelos flagelos. Consequentemente, por meio de seus esforços de modelagem, os pesquisadores introduziram um novo termo conhecido como “módulo elástico ímpar” para descrever a mecânica interna dos flagelos.
“Em nossa exploração, que vai desde modelos simples e solucionáveis até o estudo das formas de onda dos flagelos em Chlamydomonas e células de espermatozoides, mergulhamos no conceito do módulo de flexão ímpar para decodificar as interações internas não locais e não recíprocas dentro do material”, concluíram os pesquisadores.
Essas descobertas oferecem promessas para o desenvolvimento de pequenos robôs auto-ajustáveis que imitam materiais biológicos, enquanto as técnicas de modelagem podem aprofundar nossa compreensão dos princípios fundamentais que regem o comportamento coletivo. Esse conhecimento pode ter aplicações em diversas áreas, desde a engenharia de microrrobôs até a compreensão mais profunda dos sistemas biológicos.
No entanto, é importante ressaltar que a pesquisa ainda está em seus estágios iniciais, e muito trabalho adicional é necessário para explorar totalmente as implicações dessas descobertas e traduzi-las em aplicações práticas. À medida que a ciência continua a desvendar os segredos do mundo microscópico, é certo que surgirão novas perspectivas e oportunidades empolgantes para a pesquisa e inovação futuras. [Science Alert]
