没有想到这么重大的秘密居然藏了这么久才被发现,这就是螺旋族强大的祕密吗?
论文正式出处(美国物理学会出版American Physical Society):
https://journals.aps.org/prxlife/abstract/10.1103/PRXLife.1.023002
Motility is a fundamental feature of living matter, encompassing single cells
and collective behavior. Such living systems are characterized by
nonconservativity of energy and a large diversity of spatiotemporal patterns.
Thus, fundamental physical principles to formulate their behavior are not yet
fully understood. This study explores a violation of Newton's third law in
motile active agents, by considering non-reciprocal mechanical interactions
known as odd elasticity. By extending the description of odd elasticity to a
nonlinear regime, we present a general framework for the swimming dynamics of
active elastic materials in low-Reynolds-number fluids, such as wavelike
patterns observed in eukaryotic cilia and flagella. We investigate the
nonlocal interactions within a swimmer using generalized material elasticity
and apply these concepts to biological flagellar motion. Through simple
solvable models and the analysis of Chlamydomonas flagella waveforms and
experimental data for human sperm, we demonstrate the wide applicability of a
nonlocal and non-reciprocal description of internal interactions within
living materials in viscous fluids, offering a unified framework for active
and living matter physics.
运动性是生物体的基本特征,包括单细胞和集体行为。这种生命系统的特征是能量的非保
守性和时空模式的多样性。因此,制定其行为的基本物理原理尚未完全理解。
这项研究探讨了运动黏性剂对牛顿第三定律的违反。
透过将奇弹性的描述扩展到非线性状态,我们提出了低雷诺数流体中活性弹性材料游泳动
力学的通用框架,例如在真核纤毛和鞭毛中观察到的波状图案。我们利用广义材料弹性研
究游泳者体内的非局部交互作用,并将这些概念应用于生物鞭毛运动。透过简单的可解模
型以及对衣藻鞭毛波形和人类精子实验数据的分析,我们证明了黏性流体中生命材料内部
相互作用的非局域和非互易描述的广泛适用性,为活性物质和生命物质提供了统一的框架
牛顿第三运动定律指出,对于每一个作用,都会产生一个大小相等且方向相反的反作用力
。物理专业的学生透过进行涉及将物体(例如弹珠)敲在一起的实验来了解该定律的作用
。在现实世界中,牛顿第三运动定律常常被生物所回避,这些生物的演化方式使它们能够
保存能量,这反过来意味着它们不需要那么多的食物来生存。
在这项新的努力中,研究人员注意到,一些藻类和精子 细胞似乎在各自的液体中移动所
需的力气较小。他们指出,这种液体通常是黏稠的,这意味着需要费力才能游过其中。为
了了解小细胞是如何做到这一点的,研究小组仔细观察了它们的运作。
在显微镜下研究衣藻和人类精子细胞的运动时,研究人员发现两者都使用鞭毛来移动。毛
发状的附属物会做出波浪般的运动,有效地推动和拉动它们穿过液体环境。研究人员指出
,根据牛顿第三定律,这种运动应该会导致流体反应,从而大大减缓进展。但事实并非如
此。
他们发现,当精子游动时,它会像预期的那样摆动鞭毛。但研究小组还发现,由于研究小
组所描述的“奇怪的弹性”,鞭毛的鞭打方式不会向液体损失太多能量。透过响应液体的
追索而以微小的方式弯曲,鞭毛能够避免相等且相反的反应,从而保存其所有者的能量。