Un recente studio condotto da Kenta Ishimoto e il suo team dell’Università di Kyoto ha rivelato che il movimento degli spermatozoi umani e di alcune alghe unicellulari sembra sfidare la terza legge del moto di Newton, che afferma che “a ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria”.
Queste cellule microscopiche si muovono attraverso fluidi altamente viscosi in modi che non rispettano il classico principio di azione e reazione. Lo studio non solo mette in discussione leggi fisiche consolidate, ma suggerisce anche innovazioni tecnologiche in campo medico, con applicazioni che spaziano dalla robotica miniaturizzata allo sviluppo di materiali autoassemblanti
La Terza Legge di Newton e il movimento microscopico: un nuovo paradigma
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La terza legge del moto di Newton, formulata nel 1686, stabilisce che “a ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria“, una regola fondamentale che descrive l’equilibrio delle forze in natura. Questo principio universale ha spiegato per secoli fenomeni complessi, come il moto dei pianeti, l’inerzia degli oggetti e le interazioni tra corpi. Tuttavia, su scala microscopica, in particolari sistemi caotici e non lineari, come quelli che coinvolgono fluidi ad alta viscosità, emergono dinamiche che sembrano sfidare questa legge classica.
Il movimento microscopico: un comportamento inatteso
Un recente studio giapponese ha esaminato il movimento di cellule microscopiche come gli spermatozoi e le alghe verdi unicellulari, come il Chlamydomonas, in fluidi altamente viscosi. Questi microrganismi si spostano utilizzando flagelli, sottili appendici mobili che generano ondeggiamenti o rotazioni ritmiche per spingere la cellula in avanti. Secondo la terza legge di Newton, ogni azione del flagello dovrebbe generare una forza opposta pari in intensità esercitata dal fluido circostante, creando un equilibrio dinamico.
Eppure, le osservazioni hanno rivelato qualcosa di sorprendente: il movimento di queste cellule non segue la simmetria attesa. Nonostante l’azione del flagello, nel fluido non si manifesta una reazione uguale e contraria chiaramente identificabile. Ciò significa che questi microrganismi riescono a navigare attraverso ambienti viscosi in modo efficiente senza rispettare completamente il bilanciamento delle forze previsto dalla legge newtoniana.
Il segreto del movimento asimmetrico
Il comportamento inusuale di queste cellule si spiega con la complessa dinamica del fluido viscoso e con la geometria altamente specializzata dei flagelli. Invece di generare una reazione diretta e prevedibile, i flagelli producono vortici microscopici e flussi coordinati che ridistribuiscono l’energia del movimento in modo non intuitivo. Questi schemi di movimento, altamente sofisticati, permettono alle cellule di superare l’attrito e le resistenze del fluido, navigando con efficienza anche in ambienti estremamente ostili.
Il flagello non agisce come una semplice “pagaia” che spinge il fluido indietro per avanzare in avanti. Invece, i suoi movimenti ondulatori generano flussi localizzati che interagiscono con il fluido in modo tale da minimizzare la dispersione dell’energia e massimizzare la propulsione. Questo approccio non lineare è ciò che consente a spermatozoi e Chlamydomonas di spostarsi senza rispettare la tradizionale corrispondenza tra azione e reazione.
La scoperta della “strana elasticità”
Il team di Ishimoto ha scoperto che i flagelli degli spermatozoi e delle alghe possiedono una “strana elasticità”, una proprietà che consente loro di piegarsi e frustare senza dissipare molta energia nel fluido. Questo comportamento elastico consente un’efficace propulsione anche in condizioni che normalmente rallenterebbero o fermerebbero il movimento.
Un nuovo modulo elastico
Nonostante l’importanza della strana elasticità, non era sufficiente a spiegare completamente il fenomeno osservato. Pertanto, i ricercatori hanno introdotto il concetto di “strano modulo elastico”, un parametro che descrive la meccanica interna dei flagelli e le interazioni non reciproche al loro interno. Questo modulo rappresenta una chiave per comprendere come queste cellule generano movimento in modo efficiente e apparentemente in violazione delle leggi tradizionali della fisica.
Sfatando la Terza Legge di Newton: applicazioni e implicazioni delle nuove scoperte
Le implicazioni di questa ricerca sono vaste. Comprendere il movimento non reciproco a livello microscopico potrebbe rivoluzionare la progettazione di nanorobot o dispositivi bio-ispirati capaci di navigare in ambienti complessi. Questi microrobot potrebbero essere utilizzati in ambiti come la medicina, per somministrare farmaci in modo mirato, o per esplorare ambienti difficili.
Inoltre, i metodi di modellazione sviluppati per studiare queste interazioni non reciproche potrebbero essere applicati per comprendere meglio il comportamento collettivo di organismi più complessi e persino migliorare la comprensione dei principi che regolano sistemi caotici naturali.
Il lavoro di Ishimoto e colleghi rappresenta un significativo passo avanti nella comprensione delle dinamiche del movimento cellulare. Sfida le nostre nozioni fondamentali di fisica e apre nuove strade per la ricerca applicata. Pubblicato su PRX Life, questo studio non solo amplia la nostra conoscenza delle interazioni biologiche, ma potrebbe anche portare a importanti innovazioni tecnologiche. La scienza, ancora una volta, dimostra che anche le leggi più consolidate possono essere superate o reinterpretate quando si esplorano le profondità del microscopico.
Fonti
• Ishimoto, K., et al. “Non-reciprocal interactions in sperm and flagella motion.” PRX Life, ottobre 2023.
• Biblioteca fotografica scientifica, immagini di microscopio elettronico.
• Wikimedia Commons, immagini di Chlamydomonas globosa.