हाल ही में प्रकाशित एक अध्ययन से पता चलता है कि मानव शुक्राणु अत्यधिक चिपचिपे तरल वातावरण में कुशलतापूर्वक तैरना जारी रख सकता है, जिसे पारंपरिक भौतिकी के अनुसार लगभग तुरंत रोक देना चाहिए। उनकी गति पद्धति न्यूटन के तीसरे नियम को प्रभावी ढंग से "बाईपास" करती प्रतीत होती है जिससे हम परिचित हैं। इस शोध का नेतृत्व क्योटो विश्वविद्यालय के गणितीय वैज्ञानिक केंटा इशिमोटो ने किया था। उन्होंने और उनके सहयोगियों ने प्रस्तावित किया कि शुक्राणु जैसे सूक्ष्म "सक्रिय पदार्थ" आंतरिक रूप से लगातार ऊर्जा इंजेक्ट करके एक अपरंपरागत लोचदार गुण प्रदर्शित करते हैं, जिससे उच्च प्रतिरोध वाले वातावरण में उतार-चढ़ाव और उन्नति बनी रहती है।
रोजमर्रा के पैमाने पर, पानी मानव शरीर के लिए अपेक्षाकृत "हल्का" तरल पदार्थ है, लेकिन सूक्ष्म पैमाने पर, तरल पदार्थ प्रतिरोध की एक मोटी दीवार की तरह व्यवहार करता है: जड़ता लगभग नगण्य है, चिपचिपापन हावी है, और वस्तु जोर से धक्का देना बंद करने के बाद लगभग तुरंत बंद हो जाती है। शुक्राणु जैसे छोटे पैमाने के तैराकों के लिए, प्रत्येक पूंछ स्विंग के बीच कोई "ग्लाइडिंग" चरण नहीं होता है। यदि फ्लैगेलम फड़फड़ाना बंद कर दे, तो प्रगति तुरंत समाप्त हो जाएगी। यह तथाकथित "स्कैलप प्रमेय" की ओर ले जाता है: अत्यधिक चिपचिपे तरल पदार्थ में, पूरी तरह से प्रतिवर्ती आगे-पीछे की गति को दोहराने से शुद्ध विस्थापन उत्पन्न नहीं हो सकता है। यदि एक सूक्ष्म तैराक आगे बढ़ना चाहता है, तो उसे अपरिवर्तनीय, समय-निर्देशित आंदोलन पैटर्न पर भरोसा करना होगा।
शुक्राणु इस भौतिक पहेली को "हल" करने के लिए फ्लैगेल्ला का उपयोग करते हैं। फ्लैगेलम एक पतली, लचीली पूंछ जैसी संरचना है जिसके अंदर बड़ी संख्या में आणविक मोटरें वितरित होती हैं, जो फ्लैगेलम की लंबाई के साथ यात्रा तरंगें उत्पन्न कर सकती हैं, जिससे पूरी पूंछ एक "सक्रिय चाबुक" की तरह बन जाती है जो लगातार तरंगों को प्रसारित करती है। इसी तरह की संरचनाएं हरे शैवाल क्लैमाइडोमोनस जैसे सूक्ष्मजीवों में भी मौजूद हैं, जो चिपचिपे वातावरण में तैरने के लिए फ्लैगेला पर भी निर्भर होते हैं। क्योंकि आणविक मोटर लगातार सिस्टम में ऊर्जा इंजेक्ट करते हैं, फ्लैगेलम एक निष्क्रिय स्प्रिंग की तरह कम और आंतरिक रूप से संचालित "सक्रिय सामग्री" की तरह अधिक व्यवहार करता है।
शोध दल ने सक्रिय सामग्री में "अजीब लोच" नामक गुण पर ध्यान केंद्रित किया। सामान्य लोचदार सामग्रियों में, बल और प्रतिक्रिया पारस्परिक होती है: किसी भी तरह से आप सामग्री को खींचते या मोड़ते हैं, यह क्रिया-प्रतिक्रिया समरूपता के बाद उसी तरह से पलटाव करती है। हालाँकि, सक्रिय सामग्रियों में, आंतरिक ऊर्जा स्रोत सामग्री को गैर-पारस्परिक प्रतिक्रिया उत्पन्न करने की अनुमति दे सकते हैं, अर्थात, बाहरी बल के अधीन होने पर उत्पन्न प्रतिक्रिया बल अब केवल बाहरी बल को "प्रतिबिंबित" नहीं करता है। यह असममित यांत्रिक व्यवहार यात्रा तरंग को बनाए रखने में मदद करता है, भले ही चिपचिपा द्रव सिस्टम की यांत्रिक ऊर्जा का उपभोग करना जारी रखता हो।
इस प्रक्रिया का वर्णन करने के लिए, शोधकर्ताओं ने "अजीब इलास्टोहाइड्रोडायनामिक्स" सैद्धांतिक ढांचे का प्रस्ताव रखा। इस ढांचे का उद्देश्य चिपचिपे तरल पदार्थों में लोचदार सामग्रियों द्वारा प्रदर्शित "गैर-स्थानीय, गैर-पारस्परिक" इंटरैक्शन को व्यवस्थित रूप से चिह्नित करना है, और यह भेद करना है कि कौन से प्रभाव आसपास के तरल पदार्थ के प्रतिरोध से उत्पन्न होते हैं और कौन से प्रभाव सामग्री के भीतर सक्रिय ड्राइविंग तंत्र से उत्पन्न होते हैं। अनुसंधान टीम ने बताया कि यदि हम केवल मैक्रोस्कोपिक ड्रैग प्रभाव से शुरू करते हैं, तो यह अक्सर फ्लैगेलम के अंदर उतार-चढ़ाव की वास्तविक यांत्रिक प्रकृति को अस्पष्ट कर देगा, इसलिए सैद्धांतिक रूप से दोनों को अलग करना आवश्यक है। उन्होंने सक्रिय गैर-पारस्परिक यांत्रिक व्यवहार से सामान्य लोचदार प्रतिक्रियाओं को अलग करने के लिए एक गणितीय उपकरण के रूप में "एकवचन लोचदार मापांक" भी पेश किया।
मॉडल सत्यापन के संदर्भ में, शोधकर्ताओं ने इस सिद्धांत को मानव शुक्राणु के प्रयोगात्मक डेटा और क्लैमाइडोमोनस फ्लैगेला के स्विंग डेटा पर लागू किया। नतीजे बताते हैं कि मानव शुक्राणु की फ्लैगेलर तरंगें मुख्य रूप से आंतरिक सक्रिय गतिविधियों से उत्पन्न होती हैं, जबकि निष्क्रिय लोच तरंग को स्थिर करने और समय पर आराम करने में मदद करने में भूमिका निभाती है। क्लैमाइडोमोनस के लिए, मॉडल में प्राप्त गैर-पारस्परिक प्रतिक्रिया इसके फ्लैगेलम की वास्तविक पिटाई से उत्पन्न तरंग पैटर्न के साथ अत्यधिक सुसंगत है, जो सूक्ष्म तैराकी को चलाने में "अजीब लोच" की महत्वपूर्ण भूमिका का समर्थन करती है।
शोध टीम का मानना है कि यह ढांचा सक्रिय सामग्रियों के भीतर "गैर-स्थानीय, गैर-पारस्परिक" आंतरिक संपर्क तंत्र को प्रकट कर सकता है। आम आदमी के शब्दों में, शुक्राणु की पूंछ किसी बाहरी ताकत द्वारा मारा गया एक छोटा चाबुक नहीं है, बल्कि एक जटिल संरचना है जो लगातार ऊर्जा की खपत करती है। इसकी आंतरिक गतिशीलता इसे भौतिक दुनिया में सफलतापूर्वक आगे बढ़ने की अनुमति देती है जहां "सामान्य पारस्परिक गति आगे नहीं बढ़ सकती है।" लेखक इस बात पर जोर देता है कि न्यूटन के तीसरे नियम को तथाकथित "बायपास" करने का मतलब वास्तव में भौतिकी के बुनियादी नियमों का उल्लंघन करना नहीं है, बल्कि इसलिए कि शुक्राणु को "खुली प्रणाली" माना जाता है: बड़ी संख्या में सूक्ष्म सक्रिय इकाइयां प्रणाली में ऊर्जा इंजेक्ट करती रहती हैं, जिससे यांत्रिक समरूपता टूट जाती है जिसे हम बंद, निष्क्रिय प्रणालियों में देखने के आदी हैं।
इस शोध के निहितार्थ शुक्राणु से भी आगे तक फैले हुए हैं। शोधकर्ताओं ने बताया कि यह सैद्धांतिक परिप्रेक्ष्य जटिल तरल वातावरण में एकल कोशिकाओं से समन्वित झुंडों तक "सामूहिक तैराकों" के आंदोलन पैटर्न की गहरी समझ हासिल करने में मदद करता है। अनुप्रयोग परिप्रेक्ष्य से, "अजीब बम-द्रव गतिशीलता" की विश्लेषणात्मक सोच से सूक्ष्म स्व-संयोजन रोबोट, कृत्रिम सूक्ष्म-तैराक और लचीली सामग्री के डिजाइन के लिए सैद्धांतिक मार्गदर्शन प्रदान करने की भी उम्मीद की जाती है जो जीवन आंदोलनों की नकल करते हैं। प्रासंगिक परिणाम अक्टूबर 2023 में जर्नल पीआरएक्स लाइफ में प्रकाशित हुए थे। पेपर का शीर्षक "ऑड इलास्टोहाइड्रोडायनामिक्स: नॉन-रेसिप्रोकल लिविंग मटेरियल इन ए विस्कोस फ्लूइड" है।