精子似乎能够“绕开”牛顿第三定律 新研究揭示其微观游动新机制

在日常尺度上，水对人体而言是相对“轻盈”的流体，但在微观尺度，流体的行为更像是一堵厚重的阻力墙：惯性几乎可以忽略，黏性占据主导，一旦停止用力推进，物体几乎会立刻停下。对于精子这样的小尺度游动者而言，每一次尾部摆动之间不存在“滑行”阶段，如果鞭毛停止拍动，前进就会瞬间终止。这引出了所谓“扇贝定理”：在高度黏性流体中，单纯反复做完全可逆的往返运动，无法产生净位移，微观游动者要想前进，必须依靠不可逆的、具有时间方向性的运动模式。

精子通过鞭毛来“破解”这一物理难题。鞭毛是一种细长、柔性的尾状结构，其内部分布着大量分子马达，能沿着鞭毛长度方向产生行进波，让整个尾巴像一条不断传递波动的“主动鞭子”。类似的结构也存在于绿色藻类衣藻（Chlamydomonas）等微生物身上，它们同样依靠鞭毛在黏性环境中游动。由于分子马达不断向系统注入能量，鞭毛表现得不再像被动受力的弹簧，而更像一种内部驱动的“活性材料”。

研究团队聚焦于这种活性材料中一种被称为“奇异弹性”（odd elasticity）的特性。在普通弹性材料中，力与响应是互易的：你怎样拉伸或弯曲材料，它就以相应方式回弹，遵循类似“作用力—反作用力”对称关系。然而在主动材料中，内部能量源可以让材料产生一种非互易响应，即受到外力时产生的反应力不再简单地“镜像”外力，这种非对称的力学行为有助于维持行进波，即便黏稠流体在不断消耗系统的机械能。

为描述这一过程，研究者提出了“奇异弹—流体动力学”（odd elastohydrodynamics）理论框架。这一框架旨在系统刻画弹性材料在黏性流体中所表现出的“非局域、非互易”相互作用，并区分出哪些效应来源于周围流体阻力，哪些则源于材料内部的主动驱动机制。研究团队指出，如果只从宏观拖曳效应出发，往往会掩盖鞭毛内部真正产生波动的力学本质，因此有必要在理论上将两者拆分。他们还引入了一个“奇异弹性模量”，作为区分普通弹性响应与主动非互易力学行为的数学工具。

在模型验证方面，研究人员将这套理论分别应用于人类精子的实验数据和衣藻鞭毛的摆动数据。结果显示，人类精子的鞭毛波主要依靠内部主动活动产生，而被动弹性则在其中起到稳定波形、帮助其适时放松的作用。对于衣藻，模型中推导出的非互易响应与其鞭毛实际拍动产生的波型高度吻合，进一步支持“奇异弹性”在驱动微观游动中的关键作用。

研究团队据此认为，这一框架能够揭示活性材料内部“非局域、非互易”的内在相互作用机制。通俗地说，精子的尾巴并不是一根被外力甩动的小鞭子，而是一个持续消耗能量的复杂结构，其内部动力学使它能在“普通往复运动无法前进”的物理世界中，仍然成功向前游动。作者强调，所谓“绕开”牛顿第三定律，并非真正意义上的违背基本物理定律，而是因为将精子视为“开放系统”：大量微观主动单元持续向系统注入能量，从而打破了我们在封闭、被动系统中习惯看到的力学对称性。

这项研究的意义已经超出精子本身。研究者指出，这种理论视角有助于更深入理解从单个细胞到协调成群的“集体游动者”在复杂流体环境中的运动规律。从应用角度看，“奇异弹—流体动力学”的分析思路也有望为设计微观自组装机器人、人工微型游动器以及模仿生命运动的柔性材料提供理论指导。相关成果发表于2023年10月的期刊 PRX Life，论文题为《Odd Elastohydrodynamics: Non-Reciprocal Living Material in a Viscous Fluid》。