Neue Erkenntnisse: Warum Spermien und Algen die klassischen Gesetze der Physik herausfordern

Physikalische Gesetze im Mikrokosmos neu gedacht

Seit mehr als drei Jahrhunderten gelten Newtons Bewegungsgesetze als Fundament der klassischen Physik und beschreiben zuverlässig das Verhalten von Objekten unter Krafteinwirkung. Doch moderne Forschung, angeführt vom Mathematiker Kenta Ishimoto der Universität Kyoto, zeigt, dass bestimmte mikroskopische Lebensformen – etwa menschliche Spermien – diesen Regeln zu entkommen scheinen, wenn sie sich in hochviskosen Flüssigkeiten fortbewegen. Die im Oktober 2023 veröffentlichte Studie liefert faszinierende Einblicke in die Physik der Spermienbewegung und stellt grundlegende naturwissenschaftliche Prinzipien infrage.

Warum die Bewegung von Spermien ein physikalisches Rätsel ist

Im Zentrum dieses Phänomens steht Newtons drittes Gesetz: "Zu jeder Aktion gibt es eine gleich große, entgegengesetzte Reaktion." Im Alltag – beispielsweise beim Zusammenstoß zweier Billardkugeln – lässt sich dieses Prinzip klar beobachten. Wenn jedoch menschliche Spermien durch zähe, klebrige Flüssigkeiten schwimmen, überwinden sie diesen Widerstand scheinbar mühelos – entgegen der klassischen Annahme, dass ihnen die Viskosität der Umgebung das Vorankommen erschweren müsste.

Dieses überraschende Verhalten ist nicht auf Spermien beschränkt. Es ist Teil einer größeren Gruppe sogenannter nicht-reziproker Wechselwirkungen. Ähnliche Effekte lassen sich beispielsweise in Vogelschwärmen oder turbulenten Partikelströmen beobachten, wenn die Symmetrie von Aktion und Reaktion verloren geht. Im Gegensatz zu unbelebten Teilchen erzeugen biologische Schwimmer wie Spermien oder Grünalgen ihre eigene Energie, bringen Bewegung in ihr Umfeld und entfernen das System weit vom Gleichgewicht. Unter diesen Bedingungen kann Newtons klassische Symmetrie versagen und Bewegungsformen ermöglichen, die in der klassischen Mechanik nicht vorgesehen sind.

Untersuchung der Schwimmmechanismen von Spermien und Algen

Um dieses Rätsel zu erforschen, analysierten Dr. Ishimoto und sein Team sowohl experimentelle Daten menschlicher Spermien als auch mathematische Modelle der Grünalge Chlamydomonas. Beide Organismen bewegen sich mithilfe langer, peitschenartiger Flagellen – extrem flexibler Fortsätze, die an den Zellkörpern sitzen. Durch wellenartige Bewegungen ihrer Flagellen treiben sich die Zellen vorwärts.

Normalerweise kosten Viskosität und Reibung in Flüssigkeiten erhebliche Energie, weshalb man annehmen könnte, dass sich ein Spermiumsschwanz oder das Flagellum einer Alge nur schwer gegen den Widerstand bewegen kann. Überraschenderweise zeigte die Forschung, dass diese Flagellen eine besondere Materialeigenschaft namens "ungerade Elastizität" (odd elasticity) besitzen. Diese Eigenschaft ermöglicht es ihnen, effizient zu schwingen und sich kraftvoll fortzubewegen, während sie zugleich Energieverluste an die Umgebung minimieren.

Diese ungerade Elastizität alleine konnte jedoch den hohen Vortrieb nicht vollständig erklären. Mithilfe weiterentwickelter Computermodelle führten die Wissenschaftler deshalb einen neuen Parameter ein: den "ungeraden Elastizitätsmodul" (odd elastic modulus). Dieser Begriff beschreibt präziser die Mechanik, mit der die Flagellen nichtreziproke und energiesparende Fortbewegung erreichen.

Die Autoren erläutern: "Vom einfachen Modell bis hin zu biologischen Wellenmustern von Chlamydomonas- und Spermien-Flagellen haben wir den ungeraden Biegemodulus untersucht, um die nichtlokalen, nicht-reziproken inneren Wechselwirkungen im Material besser zu verstehen." Die Erkenntnisse erweitern grundlegend unser Verständnis der Bewegung lebender Systeme im Mikroskopischen.

Weitreichende Bedeutung für neue Technologien

Die Ergebnisse dieser Studie haben weitreichende Auswirkungen – nicht nur für die Biologie, sondern auch für künftige Technologien. Durch das Verständnis der Physik mikroskopischer Bewegungen können Forscher biomimetische Mikroroboter entwickeln, die sich selbstständig zusammenfinden und durch komplexe Flüssigkeiten bewegen – ähnlich wie lebende Zellen. Solche Innovationen könnten den Medikamententransport, die Umweltüberwachung und die Entwicklung weicher Robotik revolutionieren. Zudem liefern die mathematischen Modelle wertvolle Werkzeuge, um kollektives Verhalten wie Schwärme, das Zusammenwirken von Partikeln oder das Bewegen synthetischer aktiver Materialien besser zu analysieren.

Fazit

Die Arbeiten von Kenta Ishimoto und seinem Team stellen nicht nur eines der wichtigsten Gesetze der klassischen Physik infrage, sondern eröffnen auch einen neuen Blick auf aktive Materie im Mikrokosmos. Die Erkenntnis, dass Spermien und Algen in viskosen Umgebungen Newtons drittes Gesetz umgehen können, lädt dazu ein, unser Verständnis der Lebensvorgänge auf kleinster Skala zu überdenken. Die Forschung ebnet so den Weg für innovative Ansätze in Biomimetik, Mikrorobotik und der Erforschung aktiver Materialien. Damit zeigen diese bahnbrechenden Entdeckungen, wie spannend Wissenschaft ist, wenn bislang als unumstößlich geltende Regeln faszinierende Ausnahmen offenbaren.