Gli spermatozoi umani dimostrano una capacità di navigazione sorprendente all’interno di fluidi estremamente viscosi, muovendosi con una facilità che sembra contraddire i principi fondamentali della fisica classica.
Per decodificare questo fenomeno e comprendere come tali cellule riescano a scivolare attraverso sostanze che dovrebbero opporre una resistenza insormontabile, un gruppo di ricerca guidato dal matematico Kenta Ishimoto dell’Università di Kyoto ha analizzato nel dettaglio la biomeccanica dei nuotatori biologici microscopici.
Il superamento della simmetria newtoniana nelle interazioni biologiche
Lo studio ha evidenziato come le regole del moto concepite da Sir Isaac Newton nel 1686, pur spiegando efficacemente le relazioni tra oggetti macroscopici e forze esterne, non risultino pienamente applicabili a cellule che operano su scala microscopica in ambienti fluidi e densi.
La terza legge di Newton stabilisce che a ogni azione corrisponda una reazione uguale e contraria, delineando una simmetria naturale in cui le forze opposte si bilanciano reciprocamente.
Se questo principio è facilmente osservabile nello scontro tra due oggetti fisici come le biglie, la biologia molecolare rivela sistemi complessi definiti da interazioni non reciproche. In questi contesti indisciplinati, che includono il movimento degli stormi, la dispersione di particelle nei fluidi e il nuoto degli spermatozoi, la natura si manifesta attraverso dinamiche caotiche che sfidano le simmetrie convenzionali, permettendo ai nuotatori biologici di avanzare senza subire l’opposizione meccanica prevista dalla fisica tradizionale.
Spermatozoi e dinamiche dei flagelli flessibili in ambienti ad alta resistenza
Questi agenti biologici mostrano modalità di spostamento caratterizzate da interazioni asimmetriche con l’ambiente circostante o con gli altri elementi della loro specie, creando una sorta di eccezione fisica che permette di aggirare il principio di azione e reazione della terza legge di Newton.
Tale fenomeno è reso possibile dal fatto che organismi come uccelli e cellule generano autonomamente la propria energia, immettendola nel sistema attraverso ogni battito d’ali o movimento propulsivo. Questa continua aggiunta di energia interna spinge l’intero sistema lontano da una condizione di equilibrio termodinamico e meccanico, rendendo inapplicabili le regole statiche che governano gli oggetti inerti.
Attraverso l’analisi di dati sperimentali relativi agli spermatozoi umani e la modellazione del movimento dell’alga verde Chlamydomonas, il team di Ishimoto ha esaminato come i flagelli sottili e flessibili permettano l’avanzamento cellulare.
Nonostante i fluidi altamente viscosi tendano normalmente a dissipare l’energia e a bloccare il movimento di entità microscopiche, queste strutture elastiche riescono a deformarsi in modo tale da spingere la cellula senza innescare una reazione uguale e contraria dall’ambiente esterno. In questo modo, i flagelli elastici trasformano la resistenza del fluido in un vantaggio meccanico, neutralizzando l’opposizione che, secondo la fisica classica, dovrebbe impedire la loro progressione.
La strana elasticità nelle appendici biologiche
Le analisi condotte dai ricercatori hanno rivelato che le code degli spermatozoi e i flagelli delle alghe sono dotati di una proprietà definita strana elasticità, una caratteristica che permette a queste appendici flessibili di operare all’interno dei fluidi limitando drasticamente la dispersione energetica. Tuttavia, si è riscontrato che questa particolare elasticità non era sufficiente a giustificare pienamente la propulsione generata dal movimento ondulatorio dei flagelli.
Di conseguenza, attraverso complessi modelli matematici, gli studiosi hanno introdotto il concetto di modulo elastico dispari, un nuovo parametro necessario per descrivere con precisione la meccanica interna di tali strutture biologiche e la loro capacità di avanzamento.
Lo studio del modulo di flessione dispari, applicato sia a modelli teorici sia alle forme d’onda reali degli spermatozoi e dell’alga Chlamydomonas, ha permesso di decifrare le interazioni interne non locali e non reciproche che avvengono all’interno del materiale biologico.
Secondo le conclusioni del team di ricerca, queste scoperte aprono prospettive concrete per lo sviluppo di sistemi artificiali avanzati, come piccoli robot autoassemblanti progettati per imitare il comportamento dei materiali viventi. Inoltre, i metodi di modellazione derivati da questa ricerca promettono di fornire una comprensione molto più profonda dei principi fondamentali che regolano i comportamenti collettivi in natura.
Lo studio è stato pubblicato su PRX Life.
