Dengan ekornya yang seperti cambuk, sperma manusia mendorong dirinya sendiri melalui cairan kental, yang tampaknya menentang hukum gerak ketiga Newton, menurut sebuah penelitian terbaru yang mencirikan gerakan sel-sel kelamin dan alga bersel tunggal ini.

Kenta Ishimoto, seorang ilmuwan matematika di Universitas Kyoto, dan rekan-rekannya menyelidiki interaksi non-timbal balik ini pada sperma dan perenang biologis mikroskopis lainnya, untuk mencari tahu bagaimana mereka meluncur melalui zat-zat yang, secara teori, seharusnya menahan gerakan mereka.

Ketika Newton menyusun hukum geraknya, ia berusaha menjelaskan hubungan antara benda fisik dan gaya yang bekerja padanya dengan beberapa prinsip rapi yang, ternyata, tidak selalu berlaku untuk sel-sel mikroskopis yang menggeliat melalui cairan lengket.

Hukum ketiga Newton dapat diringkas sebagai "untuk setiap aksi, ada reaksi yang sama dan berlawanan".

Ini menandakan simetri tertentu di alam di mana gaya yang berlawanan bekerja satu sama lain.

Dalam contoh paling sederhana, dua kelereng berukuran sama yang bertabrakan saat menggelinding di tanah akan mentransfer gaya dan memantul berdasarkan hukum ini.

Namun, alam itu kacau, dan tidak semua sistem fisik terikat oleh simetri ini.

Apa yang disebut interaksi non-timbal balik muncul dalam sistem yang tidak teratur yang terdiri dari burung-burung yang berkelompok, partikel-partikel dalam cairan – dan sperma yang berenang.

Agen-agen motil ini bergerak dengan cara yang menunjukkan interaksi asimetris dengan hewan-hewan di belakang mereka atau cairan yang mengelilingi mereka, membentuk celah bagi gaya yang sama dan berlawanan untuk menghindari hukum ketiga Newton.

Karena burung dan sel menghasilkan energi mereka sendiri, yang ditambahkan ke sistem dengan setiap kepakan sayap atau cambukan ekor mereka, sistem tersebut terdorong jauh dari keseimbangan, dan aturan yang sama tidak berlaku.

Dalam penelitian mereka yang diterbitkan pada bulan Oktober 2023, Ishimoto dan rekan-rekannya menganalisis data eksperimen pada sperma manusia dan juga memodelkan gerakan alga hijau, Chlamydomonas.

Keduanya berenang menggunakan flagela tipis dan lentur yang menonjol dari badan sel dan berubah bentuk, atau berubah bentuk, untuk mendorong sel maju.

Cairan yang sangat kental biasanya akan menghilangkan energi flagela, mencegah sperma atau alga bersel tunggal bergerak sama sekali.

Namun entah bagaimana, flagela elastis dapat mendorong sel-sel ini tanpa memicu respons dari lingkungan sekitarnya.

Para peneliti menemukan bahwa ekor sperma dan flagela alga memiliki 'elastisitas ganjil', yang memungkinkan pelengkap fleksibel ini bergerak cepat tanpa kehilangan banyak energi ke cairan di sekitarnya.

Namun, sifat elastisitas ganjil ini tidak sepenuhnya menjelaskan dorongan dari gerakan flagela yang seperti gelombang. Jadi dari studi pemodelan mereka, para peneliti juga memperoleh istilah baru, modulus elastisitas ganjil, untuk menggambarkan mekanisme internal flagela.

"Dari model sederhana yang dapat dipecahkan hingga bentuk gelombang flagela biologis untuk Chlamydomonas dan sel sperma, kami mempelajari modulus tekukan ganjil untuk menguraikan interaksi internal nonlokal dan nontimbal balik dalam material tersebut," simpul para peneliti.

Temuan tersebut dapat membantu dalam desain robot kecil yang dapat merakit sendiri yang meniru material hidup, sementara metode pemodelan dapat digunakan untuk lebih memahami prinsip dasar perilaku kolektif, kata tim tersebut.

Studi tersebut dipublikasikan di PRX Life. (kpo)