自有規矩？新論文：精子運動可能違背牛頓第三定律

生物世界充滿驚喜，而看似違反物理定律的事物可能就在我們身邊。最近一群日本科學家發現，憑藉一條鞭狀小尾巴在黏性液體中推動自身前進的人類精子細胞，移動過程似乎違反牛頓第三運動定律。

牛頓定律是描述物體相互作用的基本法則，「牛頓第三定律」稱為「作用力與反作用力定律」，假設自然界每個動作都會產生大小相等、方向相反的力，即若兩個物體相互作用對方，彼此施加對方的力大小相等、方向相反。

不過並非所有物理系統都受此對稱性約束，我們知道經典牛頓力學在微觀量子力學和相對論（物體接近光速）面前會失效。但最近引發討論熱度的新論文指出讓人意想不到的對象：有鞭毛的人類精子細胞。

日本京都大學數學家 Kenta Ishimoto 團隊利用顯微鏡觀察衣藻與人類精子細胞，發現兩者都使用鞭毛在濃稠液體環境移動，根據牛頓第三定律，這種運動應該引發流體反應，大幅減緩移動速度；簡單說，精子細胞周圍液體應該會抵消精子施加的所有能量，使精子動彈不得。

然而事實並非如此，鞭毛擺動並沒有引起周圍同等但相反的能量回饋。

研究員指出，若將精子運動視為從微觀活動獲得能量的「開放系統」，會出現微觀與宏觀因素共同作用的特殊狀況，此時鞭毛基於某種「奇怪彈性」，能在不損失大量能量前提下以非互易性與周圍相互作用，讓細胞更不費力移動──以違背經典物理學的方式。

▲ 精子移動似乎不遵守經典力學。（Source：Pixabay）

需注意的是，宏觀條件看，精子確實有違背牛頓第三定律的特徵，但微觀條件並不能直接得出結論，畢竟精子是細胞，並不屬原子尺度以下的微觀事物。當然，這種不平衡也可能只是精子運動特殊性的局部現象。

除了精子和衣藻，自然界還有許多微生物也有鞭毛，可能代表有更多類似行為待發現，Kenta Ishimoto 表示，這項發現或許還能幫助人類設計出抵抗牛頓第三定律的小型彈性機器人。

新論文發表於《PRX Life》期刊。

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（首圖來源：pixabay）