Cách tinh trùng của con người thách thức định luật thứ 3 của Newton

Tế bào tinh trùng của con người và một số vi sinh vật bơi bằng cách làm biến dạng cơ thể của chúng có vẻ đang phá vỡ định luật chuyển động thứ ba của Newton. Nhưng nhờ thế, chúng ta đang tiến gần hơn đến việc hiểu cách chúng thực hiện điều đó. Những phát hiện này cuối cùng có thể truyền cảm hứng cho các nhà nghiên cứu phát triển những robot nhỏ bắt chước cách bơi của tinh trùng.

Định luật Newton thứ 3 phát biểu rằng: “Đối với mỗi lực tác động luôn luôn có một phản lực có cùng độ lớn. Hay nói cách khác, các lực tương tác giữa 2 vật bao giờ cũng là những cặp lực có cùng phương, cùng độ lớn, có chiều ngược nhau và khác điểm đặt”. Điều này có nghĩa là khi bạn đẩy vào tường, bức tường cũng sẽ đẩy lùi bạn…

Định luật thứ ba của Newton có thể tóm tắt là “đối với mọi hành động đều có phản lực ngang bằng và ngược chiều”. Nó biểu thị một sự đối xứng đặc biệt trong tự nhiên, nơi các lực đối lập tác động lẫn nhau. Trong ví dụ đơn giản nhất, hai viên bi có kích thước bằng nhau va chạm khi chúng lăn trên mặt đất sẽ truyền lực và bật lại dựa trên định luật này.

Giáo sư Kenta Ishimoto tại Đại học Kyoto ở Nhật Bản cho biết: “Gần đây, các nhà vật lý bắt đầu khám phá lĩnh vực cơ học mà không cần định luật thứ ba của Newton”, đồng thời, ông đưa ra ví dụ trực quan: “Ở đây, nếu bạn đẩy một bức tường, nó không nhất thiết phải đẩy ngược lại – nó có thể trượt khỏi bạn”.

Ishimoto và các đồng nghiệp của ông muốn nghiên cứu đặc tính này ở những vi sinh vật có khả năng bơi. Họ tập trung vào tế bào tinh trùng của con người và tảo Chlamydomonas. Cả hai đều bơi bằng sợi lông roi hay đúng hơn sợi mảnh giống như tóc nhô ra từ thân chính của tế bào. Sợi lông roi có tính đàn hồi và có thể thay đổi hình dạng để tương tác với chất lỏng xung quanh tế bào. Điều này giúp đẩy tế bào về phía trước theo cách được gọi là “không tương hỗ”, nghĩa là chúng vi phạm định luật thứ ba của Newton.

Nhưng chi tiết của quá trình này vẫn chưa rõ ràng. Ở cấp độ vi mô, các nhà nghiên cứu thường nghĩ là chất lỏng có độ nhớt cao thường làm tiêu hao năng lượng của roi, ngăn không cho tinh trùng hoặc tảo đơn bào di chuyển nhiều, cho dù nó có vẫy sợi lông roi đến cỡ nào. Tuy nhiên, bằng cách nào đó, sợi lông roi đàn hồi có thể đẩy tế bào tinh trùng đi mà không gây ra phản ứng từ môi trường xung quanh.

Để tìm ra cách các tế bào có thể di chuyển bất chấp trở ngại rõ ràng này, các nhà nghiên cứu đã phân tích chuyển động của tinh trùng và tế bào tảo khi chúng bơi. Họ phát hiện ra rằng những lông roi này có một đặc tính khác thường, được gọi là độ đàn hồi “kỳ lạ”, cho phép chúng vẫy mà không mất nhiều năng lượng vào chất lỏng xung quanh.

Các nhà nghiên cứu đã định lượng độ đàn hồi kỳ lạ của tế bào và đạt được một con số gọi là “mô đun đàn hồi kỳ lạ”. Con số này càng cao thì lông roi càng có thể vẫy mà không bị chất lỏng xung quanh cản trở chuyển động. Điều này cho phép tế bào di chuyển về phía trước mà không bị đẩy lùi lại chút nào.

Ông Clément Moreau tại Đại học Kyoto, người cũng tham gia nghiên cứu, cho biết việc tính toán mô đun đàn hồi lẻ cho nhiều vi sinh vật khác nhau có thể giúp các nhà khoa học phân loại chúng và tìm ra liệu có những đặc điểm bổ sung nào giúp chúng bơi mà không tuân theo định luật thứ ba của Newton hay không.

Còn nhà nghiên cứu Piotr Surówka tại Đại học Khoa học và Công nghệ Wrocław ở Ba Lan cho biết hiện tại, chúng ta không biết tất cả một cách cặn kẽ quá trình giúp những vi sinh vật biết bơi thách thức định luật chuyển động của Newton. Ông cho biết việc có thể tính toán mô đun đàn hồi lẻ và các con số tương tự có thể giúp tạo ra một “từ điển” về các sinh vật có khả năng chuyển động không tương hỗ.

Ishimoto cho biết cách tiếp cận của nhóm cũng có thể cung cấp thông tin cho các nhà nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot nhỏ có thể di chuyển theo cách của tinh trùng để không lo vi phạm định luật thứ ba của Newton.