Kiedy życie krystalizuje się w nową formę: embriony rozgwiazdy odkrywają nieznaną fazę materii

Naukowcy zaobserwowali niezwykłe zjawisko aktywnej materii w gęstych kulturach embrionów rozgwiazdy gatunku Patiria miniata. Badania przeprowadzone przez zespół pod kierownictwem Yu-Chen Chao wykazały fascynujące właściwości tych organizmów w specyficznych warunkach fizycznych.

Przy wysokim stężeniu u granicy faz powietrze–woda, embriony zaczynają spontanicznie tworzyć unikalne struktury geometryczne o wysokim stopniu uporządkowania. Badacze nazwali te formacje „żywymi kryształami chiralnymi”, co podkreśla ich wyjątkowy, biologiczny charakter oraz zdolność do samoorganizacji.

Struktury te układają się w niezwykle precyzyjną sieć heksagonalną, która pod względem wizualnym przypomina budowę krystaliczną tradycyjnych minerałów. Kluczową różnicą jest jednak fakt, że w tym przypadku każdy „element” sieci pozostaje w pełni żywym i aktywnym organizmem.

To spostrzeżenie jest niezwykle istotne dla współczesnej nauki, gdyż pokazuje, że granica między biologią a fizyką jest znacznie cieńsza, niż dotychczas sądzono. Mechanizm powstawania tego „żywego kryształu” bierze swój początek w indywidualnym ruchu samych embrionów rozgwiazdy.

Każdy z nich nieustannie wiruje w cieczy, generując wokół siebie mikroskopijne i precyzyjne przepływy hydrodynamiczne, które wpływają na otoczenie. W momencie, gdy liczba takich organizmów wzrasta, ich indywidualne ruchy zaczynają na siebie wzajemnie oddziaływać w wodnym środowisku.

Powstaje wówczas efekt zbiorowego przyciągania, który stopniowo porządkuje embriony w regularną, stabilną strukturę o charakterze geometrycznym. Proces ten prowadzi do sformowania nowej, nierównowagowej fazy materii, która rzuca zupełnie nowe światło na dotychczasowe modele fizyczne.

Cały system zachowuje pełną żywotność i dynamizm, a powstałe kryształy mogą płynnie przełączać się między różnymi stanami oscylacyjnymi i drganiami. Takie zachowanie wynika bezpośrednio z naruszenia symetrii chiralnej wewnątrz badanego przez naukowców układu biologicznego.

W tym konkretnym przypadku to właśnie rotacja poszczególnych elementów definiuje ostateczną architekturę, stabilność oraz właściwości całej kolonii. Opisywane systemy należą do dynamicznie rozwijającej się dziedziny aktywnej materii, gdzie cząstki same konsumują energię z otoczenia.

W przeciwieństwie do zasad klasycznej termodynamiki, porządek w tych układach nie wyłania się ze stanu statycznego spoczynku czy niskiej energii. Zamiast tego, struktura powstaje w wyniku nieustannej, skoordynowanej i celowej aktywności wszystkich żywych jednostek tworzących układ.

Odkrycie „żywych kryształów chiralnych” stanowi bezpośrednie potwierdzenie istnienia złożonych faz nierównowagowych w systemach biologicznych. Jest to namacalny przykład tego, jak życie jest w stanie samodzielnie projektować i budować skomplikowaną architekturę materii bez zewnętrznych matryc.

Zrozumienie tych procesów może w niedalekiej przyszłości zrewolucjonizować kilka kluczowych kierunków rozwoju nowoczesnych technologii i inżynierii materiałowej. Jednym z nich są samoorganizujące się systemy robotyczne, które mogłyby składać się z tysięcy autonomicznych, współpracujących ze sobą elementów.

Kolejne potencjalne zastosowanie dotyczy precyzyjnego zarządzania przepływami ciepła w zaawansowanych i miniaturowych układach elektronicznych nowej generacji. Możliwe jest również stworzenie zupełnie nowych materiałów aktywnych, które inteligentnie reagują na zmiany zachodzące w ich bezpośrednim środowisku zewnętrznym.

Aby umożliwić te przełomowe odkrycia, naukowcy musieli najpierw opracować innowacyjne i skuteczne metody hodowli gatunku Patiria miniata w laboratorium. Larwy tych rozgwiazd osiągają stadium gotowości do skomplikowanych eksperymentów w czasie około 15 dni od rozpoczęcia cyklu rozwojowego.

Pełna dojrzałość płciowa w nowoczesnych, laboratoryjnych systemach przepływowych jest osiągana przez te organizmy po upływie około dwóch lat. Zapewnia to badaczom stabilną i przewidywalną platformę biologiczną do prowadzenia dalszych, wieloletnich testów nad procesami samoorganizacji materii.

To naukowe wydarzenie przypomina nam, że porządek we wszechświecie może rodzić się bezpośrednio z samego życia i jego wewnętrznej, niepohamowanej dynamiki. Nie wymaga on skomplikowanego zewnętrznego sterowania, lecz wynika z prostych interakcji między wieloma małymi, zsynchronizowanymi ruchami.

Czasami wystarczy po prostu zgromadzić żywe cząstki razem w odpowiednich warunkach, by natura sama zaczęła budować z nich niezwykłe i doskonałe kryształy. Odkrycie to otwiera nowy rozdział w badaniach nad tym, jak proste organizmy potrafią tworzyć złożone i uporządkowane struktury materialne.