🌐 Scienziati scoprono spermatozoo “fuori” da leggi della fisica

Per oltre tre secoli, la terza legge di Newton — quella che ci insegna che per ogni forza applicata esiste una forza uguale e contraria — è stata considerata un principio basilare della fisica classica. Tuttavia, uno studio internazionale ha evidenziato un comportamento nei flagelli degli spermatozoi che, in condizioni microscopiche, non segue questa semplice logica. In fluidi altamente viscosi, come quelli presenti nel tratto riproduttivo femminile, gli spermatozoi sembrano muoversi senza provocare la tradizionale “spinta indietro” che ci si aspetterebbe, tanto da dare l’impressione che la legge sia violata.

La chiave di questo apparente paradosso è una caratteristica biomeccanica definita “elasticità dispari” dei flagelli cellulari. Questa proprietà consente alle cellule di generare movimento tramite deformazioni interne che non producono reazioni speculari nel fluido circostante, rendendo possibile la propulsione anche in condizioni estreme per la meccanica classica. Per spiegare matematicamente questo comportamento, i ricercatori hanno introdotto un nuovo parametro, l’odd elastic modulus, che quantifica queste interazioni non reciproche.

Cosa significa “ignorare” una legge fisica

È importante precisare che gli spermatozoi non violano davvero le leggi della fisica in senso assoluto, ma piuttosto si comportano in un regime fisico in cui il modello classico non descrive pienamente il fenomeno. In altre parole, il comportamento osservato emerge in sistemi viventi che consumano energia e si trovano lontani dall’equilibrio termico, condizioni in cui la meccanica classica — come la legge di azione e reazione — può non applicarsi nel modo tradizionale.

In questo contesto, la locomozione degli spermatozoi e di altri microrganismi è possibile grazie a forze interne generate lungo i loro flagelli, che deformano la struttura in modo tale da ottenere una propulsione efficace senza una reazione locale immediata nella direzione opposta nel fluido — il che, su scala macroscopica, sarebbe interpretato come una violazione del principio newtoniano.

Il ruolo della “elasticità dispari”

La ricerca, che ha utilizzato dati sperimentali e modelli teorici avanzati, ha messo in evidenza che le onde generate dai flagelli non sono semplici risposte passive al fluido esterno, ma processi attivi che sfruttano energia interna della cellula per fornire propulsione. Questa caratteristica non reciproca — ovvero una risposta che non genera una forza opposta equivalente nel fluido — è ciò che gli scienziati definiscono “odd elasticity”.

Il concetto di elasticità dispari descrive come strutture flessibili e attive (come i flagelli) possano iniettare energia lungo il loro corpo in maniera non simmetrica, creando una spinta efficace anche se, secondo la meccanica classica, non dovrebbe esserci una reazione equivalente. Questo comportamento è stato osservato sia negli spermatozoi umani sia in organismi microscopici come alcune alghe, che utilizzano flagelli per muoversi.

Implicazioni scientifiche e applicative

La scoperta ha stimolato l’interesse non solo dei fisici teorici, ma anche di ingegneri e ricercatori nel campo della robotica microscopica. La comprensione di come le strutture biologiche possano propellere efficacemente attraverso meccanismi “non reciproci” potrebbe ispirare nuovi tipi di microrobot auto‑propulsi, utili per somministrare farmaci, effettuare diagnostica interna o compiere azioni non invasive all’interno del corpo umano.

Inoltre, la ricerca ha aperto nuove strade di studio per comprendere come altri microrganismi viventi si muovano in ambienti complessi, ponendo interrogativi fondamentali su come la fisica classica deve essere adattata o estesa per descrivere i processi nei sistemi vivi lontani dall’equilibrio.

Rivisitare le leggi classiche alla luce della biologia

In sintesi, la scoperta che gli spermatozoi umani sembrano muoversi in modi che “ignorano” la terza legge della dinamica di Newton non significa che la legge sia sbagliata, ma che in certi regimi microscopici e biologici la sua applicazione va reinterpretata. Queste cellule utilizzano forze interne attive e proprietà strutturali uniche per spostarsi efficacemente in fluidi viscosi, mostrando come la natura possa aggirare i limiti della fisica classica tramite processi energetici e meccanici avanzati.

La scoperta rappresenta un esempio affascinante di come i principi fondamentali della fisica e della biologia si intrecciano, richiedendo nuove teorie che integrino movimento, energia e struttura nei sistemi viventi non in equilibrio.