一项最新研究发现，人类精子在黏稠到足以让常规物体几乎立刻停下的流体中，依然能高效游动，其运动方式在效果上似乎“绕开了”牛顿第三定律。这项研究由京都大学数学科学家石本健太领衔，团队提出，精子这类微观“活性物质”通过内部持续注入能量，展现出一种非传统的弹性特性，从而在高阻力环境中维持波动和前进。



在日常尺度下，水对我们来说是“轻盈”的流体；但在微观尺度，流体更像一堵厚重的阻力墙——惯性几乎可忽略，黏性占绝对主导，一旦停止用力推进，物体几乎瞬间停下。对于精子这类微小游动者，尾部摆动之间没有“滑行”阶段；如果鞭毛停止拍动，前进就会立刻终止。这就引出了“扇贝定理”：在高度黏性流体中，单纯做完全可逆的往返运动无法产生净位移，微观游动者必须依靠不可逆的、具有时间方向性的运动模式才能前进。

精子的破解武器是鞭毛——一条细长柔性的尾状结构，内部分布着大量分子马达，能沿鞭毛长度方向产生行进波，让尾巴像一条不断传递波动的“主动鞭子”。类似结构也存在于衣藻等微生物身上。由于分子马达不断向系统注入能量，鞭毛不再是被动受力的弹簧，而是内部驱动的“活性材料”。研究团队聚焦于一种被称为“奇异弹性”的特性：在普通弹性材料中，力与响应是互易的（你怎样拉伸，它就以相应方式回弹）；但在活性材料中，内部能量源可以产生非互易响应——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”理论框架，系统刻画弹性材料在黏性流体中的“非局域、非互易”相互作用，并区分哪些效应来自周围流体阻力、哪些源于内部主动驱动。他们还引入了一个“奇异弹性模量”作为数学工具，用于区分普通弹性响应与主动非互易行为。在模型验证中，团队将这套理论分别应用于人类精子实验数据和衣藻鞭毛摆动数据。结果显示，人类精子的鞭毛波主要依靠内部主动活动产生，被动弹性则起到稳定波形、帮助适时放松的作用；对衣藻而言，模型中推导出的非互易响应与其鞭毛实际拍动产生的波形高度吻合。

研究团队据此认为，这一框架能揭示活性材料内部“非局域、非互易”的内在相互作用机制。通俗来说，精子的尾巴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，其内部动力学让它在“普通往复运动无法前进”的物理世界中依然能成功向前游动。作者强调，所谓“绕开”牛顿第三定律并非真正违背基本物理定律，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。在应用层面，“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《PRX Life》，论文题为《Odd Elastohydrodynamics: Non-Reciprocal Living Material in a Viscous Fluid》。