Un estudio publicado recientemente muestra que los espermatozoides humanos pueden continuar nadando eficientemente en un ambiente fluido altamente viscoso que debería impedir casi inmediatamente el movimiento según la física convencional. Su método de movimiento parece "evitar" efectivamente la tercera ley de Newton con la que estamos familiarizados. La investigación fue dirigida por Kenta Ishimoto, un científico matemático de la Universidad de Kyoto. Él y sus colegas propusieron que las "sustancias activas" microscópicas, como el esperma, exhiben una propiedad elástica no convencional al inyectar continuamente energía internamente, manteniendo así las fluctuaciones y el avance en un entorno de alta resistencia.

A escala cotidiana, el agua es un fluido relativamente "ligero" para el cuerpo humano, pero a escala microscópica, el fluido se comporta más como una gruesa pared de resistencia: la inercia es casi insignificante, la viscosidad domina y el objeto se detiene casi inmediatamente una vez que deja de empujar con fuerza. Para los nadadores a pequeña escala como los espermatozoides, no hay una fase de "deslizamiento" entre cada movimiento de la cola. Si el flagelo deja de aletear, el progreso finalizará instantáneamente. Esto lleva al llamado "teorema de la vieira": en un fluido muy viscoso, la simple repetición de un movimiento de ida y vuelta completamente reversible no puede producir un desplazamiento neto. Si un nadador microscópico quiere avanzar, debe confiar en un patrón de movimiento irreversible dirigido en el tiempo.

Los espermatozoides utilizan flagelos para "resolver" este rompecabezas físico. El flagelo es una estructura delgada y flexible en forma de cola con una gran cantidad de motores moleculares distribuidos en su interior, que pueden generar ondas viajeras a lo largo del flagelo, haciendo que toda la cola sea como un "látigo activo" que transmite ondas continuamente. También existen estructuras similares en microorganismos como el alga verde Chlamydomonas, que también depende de los flagelos para nadar en un ambiente viscoso. Debido a que los motores moleculares inyectan continuamente energía en el sistema, el flagelo se comporta menos como un resorte pasivo y más como un "material activo" impulsado internamente.

El equipo de investigación se centró en una propiedad llamada "elasticidad extraña" del material activo. En los materiales elásticos ordinarios, la fuerza y ​​la respuesta son recíprocas: de cualquier forma que se estire o doble el material, rebota de manera similar, siguiendo una simetría de acción-reacción. Sin embargo, en los materiales activos, las fuentes de energía internas pueden permitir que el material produzca una respuesta no recíproca, es decir, la fuerza de reacción generada cuando se somete a una fuerza externa ya no simplemente "refleja" la fuerza externa. Este comportamiento mecánico asimétrico ayuda a mantener la onda viajera, incluso si el fluido viscoso continúa consumiendo la energía mecánica del sistema.

Para describir este proceso, los investigadores propusieron el marco teórico de la "elastohidrodinámica extraña". Este marco tiene como objetivo caracterizar sistemáticamente las interacciones "no locales, no recíprocas" exhibidas por materiales elásticos en fluidos viscosos, y distinguir qué efectos se originan en la resistencia del fluido circundante y cuáles se originan en el mecanismo impulsor activo dentro del material. El equipo de investigación señaló que si solo partimos del efecto de arrastre macroscópico, a menudo oscurecerá la verdadera naturaleza mecánica de las fluctuaciones dentro del flagelo, por lo que es necesario separar teóricamente los dos. También introdujeron un "módulo elástico singular" como herramienta matemática para distinguir las respuestas elásticas ordinarias del comportamiento mecánico activo no recíproco.

En términos de verificación de modelos, los investigadores aplicaron esta teoría a datos experimentales de espermatozoides humanos y a los datos de oscilación de Chlamydomonas flagella. Los resultados muestran que las ondas flagelares del esperma humano se generan principalmente por actividades activas internas, mientras que la elasticidad pasiva desempeña un papel en la estabilización de la forma de onda y ayuda a que se relaje con el tiempo. Para Chlamydomonas, la respuesta no recíproca derivada del modelo es muy consistente con el patrón de onda producido por el latido real de su flagelo, lo que respalda aún más el papel clave de la "extraña elasticidad" en el impulso de la natación microscópica.

El equipo de investigación cree que este marco puede revelar el mecanismo de interacción intrínseco "no local y no recíproco" dentro de los materiales activos. En términos sencillos, la cola de un espermatozoide no es un pequeño látigo azotado por una fuerza externa, sino una estructura compleja que consume energía continuamente. Su dinámica interna le permite nadar con éxito hacia adelante en un mundo físico donde "el movimiento alternativo ordinario no puede avanzar". El autor subraya que "eludir" la tercera ley de Newton no significa en realidad violar las leyes básicas de la física, sino que se considera que el espermatozoide es un "sistema abierto": un gran número de unidades microscópicas activas siguen inyectando energía en el sistema, rompiendo así la simetría mecánica que estamos acostumbrados a ver en los sistemas pasivos cerrados.

Las implicaciones de esta investigación se extienden más allá del propio esperma. Los investigadores señalaron que esta perspectiva teórica ayuda a obtener una comprensión más profunda de los patrones de movimiento de los "nadadores colectivos", desde células individuales hasta enjambres coordinados en entornos fluidos complejos. Desde una perspectiva de aplicación, también se espera que el pensamiento analítico de la "dinámica de fluidos de bombas extrañas" proporcione orientación teórica para el diseño de robots microscópicos de autoensamblaje, micronadadores artificiales y materiales flexibles que imitan los movimientos de la vida. Los resultados relevantes se publicaron en la revista PRX Life en octubre de 2023. El artículo se titula "Elastohidrodinámica extraña: material vivo no recíproco en un fluido viscoso".