Hücrelerin Dünyası ve Sperm Hücrelerinin Yüzme Yeteneği
Mikroskobik organizmalar , sıradan fizik kurallarının geçerli olduğu bir dünyada yaşamıyor. Su, parmaklarımızdan kayıp giderken, bu organizmalar için adeta yapışkan bir şurup haline geliyor. Fakat sperm hücreleri ve yeşil algler, bu kalın ortamda zarif hareketlerle yol alabiliyor. Sperm hücreleri , şehvetli flagellum ‘ları sayesinde mükemmel yüzücülerdir. Bu ince yapı, canlı bir kırbaç gibi dalgalanarak, gücü ritmik bir ince işçiliğe dönüştürüyor.
Flagellum, Sperm ve Fizik
Bizim ölçeğimizde, bir yüzücünün her tekmesi momentum kazandırırken, mikroskobik dünyada bu etkiler kaybolur. Reynolds sayısı , bir akışkanın su gibi mi yoksa yapışkan mı hareket ettiğini belirten bir ölçüttür ve bu durumda çok düşük değerler alabilmektedir. Akışkanın kıvamı arttıkça, sperm hücresinin her hareketi hemen sonlandığı için, ilerlemek için sürekli farklı yönlerde hareket etmesi gerekmektedir.
Flagellum, dalgalar göndererek ilerlerken, *Newton’un üçüncü yasası * gibi görünen durumları istisna edebilmektedir. Flagellum bükülürken, akışkan geri itme yapar; ancak hücre, beklenenden daha az enerji kaybı yaşar.
Sperm Flagellum’da Aktif Enerji
Kyoto Üniversitesi’nden Kenta Ishimoto, Clément Moreau ve Kento Yasuda, Chlamydomonas algleri ve insan sperm hücrelerini yüksek hızlı mikroskoplarla görüntülediklerinde, alışılmadık bir twist fark ettiler. Flagella, sıradan elastik çubukların aksine asimetrik bir biçimde bükülmekte ve böylece en yüksek sürtünmeden kaçış sağlamaktadır. Araştırmacılar bu davranışa “ olağan dışı elastikiyet ” adını verdiler.
Bu birim, bir canlı filamentin gündelik elastik davranıştan ne kadar uzaklaştığını yakalamak için kullanıldığında, iç motorların dış itişlerden daha etkili olduğunu göstermektedir.
Newton ile Çelişen Durumlar
Olağan dışı elastikiyet, eylem ve tepkinin düzenini karıştırır. Enerji bir sisteme yerel olarak akarken ve flagellum motorları kesim kesim çalışıyorken, akışkanın tepkisi itişle tam örtüşmeyebilir. Bir segment bükülür, dirençten geçer ve sonra biraz farklı bir yol alarak geri döner; bu da net bir hareket yaratırken tam bir enerji bedeli ödemeden mümkün olur.
Kyoto ekibi, olağan dışı elastohidrodinamik adını verdikleri bir çerçeve oluşturdu. Bu, elastikiyet, akışkan akışı ve iç kuvvetleri bir dizi denkleme bağlar. Matematiksel hesaplamalar yapıldığında, flagellum’un doğal olarak bir limit döngüsü içine girdiği tahmin edilmektedir. Dış bir beyin olmadan, motorlar açıldığında ritim kendiliğinden oluşur.
Olağan Dışı Elastohidrodinamiklerin Uygulanması
Laboratuvar ölçümleri bu teoriyi desteklemektedir. Sperm kuyruğu, saatte on kez dönerken, düzgün bir S şekli çizer. Akışkanın kalınlığını veya hücrenin yakıt kaynağını değiştirdiğinizde, döngü uzayıp kısalmakta ve bu değişiklikler hesaplamalarla net bir şekilde karşılanmaktadır.
Chlamydomonas , iki senkronize flagellası ile kalın sıvıların içinde düşündüğümüzden daha hızlı yüzebilmektedir; bu, olağan dışı elastikiyetten kaynaklanan ince ayarlarla elde edilen bir avantajdır.
Sperm Flagellum’un Önemi
İlaç taşıma robotları tasarlayan mühendisler, kırmızı kan hücreleri boyutunda damarlarda kayarak geçebilen cihazlar hayal ediyor. Bu ölçekte, küçük pervaneler başarısız olur. Ancak, olağan dışı elastik prensiplerle inşa edilmiş yumuşak bir filament, plazma içinde neredeyse hiç güç harcamadan hareket edebilir. Solunum alanı da benzer pek çok avantajından fayda sağlayabilir.
Küçük Yüzücüler ve Fizik Kurallarını Değiştirmek
Olağan dışı elastohidrodinamik, fiziğin kapsamını genişletmeye iten bir kavramdır. Yerel motorlar yumuşak maddelere enerji pompaladıklarında, eylem ve tepki dengesi farklı bir biçim alabilir. Ölçümler, sistem boyunca olağan dışı elastik modüllerin belirlenmesi ile birlikte biyolojik sistemlerin birçok hareket eden parçasını bir araya getirme umudunu da taşımaktadır.
Şu anda, Ishimoto, Moreau ve Yasuda, merak uyandıran mikroskop görüntülerinden matematiksel araçlara ve nihayetinde sperm ve flagellum’u taklit eden cihazlara giden net bir yol çizdiler. Flagellum’ların nasıl kuralları bükebileceğini haritalayarak, doğanın yapışkan sorunlara getirdiği çözümlerin, kalın ve kıvamlı sıvılarda da aynı şekilde hareket eden teknolojilere ilham verebileceğini göstermektedirler.
