奇异弹性让微生物不遵守牛顿第三定律

今天，我们要谈论的是发表在《物理评论X生命》杂志上的一篇论文，它的题目是《奇异弹性流动力学：粘性流体中的非互易活性材料》。

我们知道，弹性材料是指那些能够在外力作用下发生形变，并在外力消失后恢复原状的材料。例如，橡皮筋、弹簧、海绵等等。弹性材料的形变可以用一个位移场来描述，它表示了材料中各个点相对于其平衡位置的位移。弹性材料的应力则表示了材料中各个点受到的力密度，它与位移场之间有一个线性关系，可以用一个弹性矩阵来表示。这个矩阵是对称的，也就是说，它满足牛顿第三定律，即作用力和反作用力相等或者相反。

然而，并不是所有的材料都遵循牛顿第三定律。有些材料会产生非互易的相互作用，也就是说，它们对彼此施加的力并不相等或者相反。这种非互易性可以用一种叫做奇异弹性的概念来描述。奇异弹性是指一种对称性破缺的弹性模型，它可以用一个反对称的弹性矩阵来表示。

奇异弹性最早是由Landau和Lifshitz在1941年提出的，他们用它来解释一种叫做屈光效应的现象，即某些材料在电场或者磁场作用下会发生旋转。后来，奇异弹性又被用来描述一些拓扑物质，例如拓扑绝缘体、拓扑超导体、拓扑液晶等等。

除了这些无序或者平衡态的物质之外，奇异弹性还可以用来描述一些有序或者非平衡态的物质，例如活性材料。活性材料是指那些能够自发地消耗能量，并产生运动或者变形的材料。例如，细胞、细菌、微小的鞭毛或者纤毛等等。这些活性材料都是生命系统的基本组成部分，它们展现出了丰富多样的时空模式。因此，理解它们的行为对于揭示生命系统的基本原理是非常重要的。

为了研究奇异弹性在低雷诺数流体中的游动动力学，研究人员提出了一个一般化的框架，将活性材料视为一个连续或离散的弹性结构，并考虑其与周围流体之间的耦合作用。作者利用傅里叶分析和微扰理论，得到了一些简单可解的模型，并将其应用于生物鞭毛运动这一具有代表性的例子。

生物鞭毛是一种由微管组成的细长结构，它可以在细胞表面产生波状运动，并驱动细胞在流体中游动。生物鞭毛的运动是由内部的分子马达提供能量的，因此它是一种典型的活性材料。作者分析了绿藻和人类*子的鞭毛波形，并发现它们可以用奇异弹性的模型来很好地描述。作者还从实验数据中提取了奇异弹性模量，并发现它与鞭毛的弯曲刚度和马达密度有关。

这篇论文展示了奇异弹性在活性材料游动动力学中的重要作用，它为理解和控制活性材料的时空模式提供了一个统一的框架，也为活性和生命物质物理学提供了一个新的视角。