细心观察海星胚胎，发了一篇《Nature》！

牛顿第三运动定律指出，相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反。这一原则同样也适用于晶体中的原子，才能使晶体处于平衡状态，或接近平衡状态。

最新一期《Nature》以“Odd dynamics of living chiral crystals”为题，在线刊登了美国麻省理工学院Nikta Fakhri教授最新研究成果，打破了人们的固有认知。作者报告了一种不同类型的晶体自组装，这种晶体由漂浮在水面上的海星胚胎组成，可以被认为是远离热力学平衡的 "原子"。这种活体晶体的行为表现出一种被称为奇弹性的机械非互惠性。具体而言，作者展示了游动的海星胚胎自发地组装成手性晶体，这些晶体跨越了数千个旋转的生物体并持续了数十小时。 结合实验、理论和模拟，作者证明这些活晶体的形成、动力学和溶解受流体动力学特性和胚胎的自然发育控制。值得注意的是，活手性晶体（LCC）表现出自持手性振荡以及最近预测的奇弹性材料的各种非常规变形响应行为。本文结果为自主多细胞成分之间的非互惠相互作用如何促进手性活性物质的非平衡相提供了直接的实验证据。

海星胚胎自发聚集在一起形成“结晶”

什么是奇弹性？在处于平衡状态的普通晶体中（想象一下金属，甚至是食盐），原子之间的相互作用导致了我们所习惯的机械特性：如果你推动一种材料，它会直接推回。然而，失去平衡的奇异晶体可以有非互惠的相互作用，产生大规模的机械后果。对机械刺激的"奇特"反应会发生，这是经典力学所禁止的，并打破了对等的黄金法则。例如，在这些奇怪的材料中，压缩和旋转非对等地耦合：压缩材料导致旋转应力，但旋转不会导致压缩应力。尽管它们的名字很奇怪，但这些奇怪的耦合并不那么奇怪：当平衡的约束被解除时，它们一般都是预期的。

Figure 1. 海星胚胎之间的非互惠相互作用

【LCC的自组装和溶解以及水动力理论】

海星胚胎位于空气-水界面并自发旋转，形成二维活晶体，该晶体也经历集体旋转。当海星旋转时，它们会将流体拉向它们并向下。这种流体运动会在胚胎之间产生相互吸引力，从而影响它们的势能——储存的能量仅由它们在晶体中的相对位置决定，类似于平衡时晶体中原子的相互作用能。但是流体的运动也产生了不能归因于势能的第二个横向力，并构成了一种奇怪的材料行为。这种非互惠的力量并非海星胚胎所特有的。它们自然发生是生命物质非平衡性质的直接后果。

图 1. 发育中的海星胚胎自组织成活的手性晶体

图 2. 单胚特性促进簇的形成、旋转和溶解

总之，定向、平移和动态顺序随发育时间的系统衰减显示了单胚胎水平的形态变化如何通过类似于固-气相变的溶解转变自主驱动 LCC。

图 3. 随着胚胎的发育，结晶顺序先增加后减少

图 4. 缺陷应变和位移波表现出奇弹性的特征

【启示】

波兰科学家 Stanislaw Ulam 曾经说过：“不要问物理学能为生物学做些什么。问问生物学可以为物理学做些什么。”确实，生命系统为研究非平衡物理学的思想提供了有趣的（如果混乱的话）平台。本文的实验延续了将生物系统提炼成其基本成分的富有成效的趋势，以阐明物质在其活跃时所具有的基本特性。但是这样的实验也给生物学家带来了问题。通过了解这些纯化的仿生系统的基本物理学，科学家们获得了对它们所来自的体内生物系统的深入了解。

本文对生物系统中奇弹性的识别引发了两个更广泛的问题。首先，生物中的奇怪行为有多普遍？其次，它们是否具有某种生物学功能？该团队的实验证明了奇异性和手性之间的基本联系：奇弹性必然意味着材料可以区分为右手或左手。在 本文的实验中，手性决定了海星胚胎的旋转方向。更一般地说，手性存在于许多生物系统中，因此这些发现暗示了奇怪行为也可能司空见惯的想法。它是否意味着尚未揭示的手性作用？

相反，从设计的角度来看，本文开发的平台是在通往有生命的物质（能够感知、计算和响应外部刺激的材料）的道路上迈出的一步。这样的材料可能通过合成手段来模仿有生命的行为，就像今年报道的在旋转的胶体系统中实现奇怪的弹性。或者，它们可能直接包括生物元素，如海星胚胎晶体的情况。后一种方法的优点是在系统中建立了一个内部能量库：作者展示的奇弹性在没有外部输入的情况下持续了几个小时，只有在胚胎生长使晶体破裂时才停止。

在什么意义上，一种奇怪的材料是有生命的？本文报道的系统在胚胎的位置上产生了自发的振荡波，而且这些波在晶体的整个生命周期内都持续存在。对奇异材料的一个理论预测是，这种波可以在对外部压缩的反应中被诱导出来--或者，更一般地说，一个显示奇异行为的系统会在对特定刺激的反应中表现出震荡运动。这种动态状态可以构成材料本身的机械编程和计算的基础；例如，通过在不同的刺激下切换不同的动态状态。

本文研究是材料设计和基础物理学的纽带：他们的系统让我们得以一窥如何打破互惠的黄金法则导致活性固体中有趣的涌现行为。虽然奇怪的弹性是活晶体的一个标志，但可能还有很多其他的。

来源：高分子科学前沿

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