Коли життя перетворюється на кристал: ембріони морських зірок відкривають нову фазу матерії

Наукова спільнота нещодавно стала свідком дивовижного явища в галузі активної матерії, виявленого під час спостереження за щільними культурами ембріонів морської зірки виду Patiria miniata.

Дослідницька група під керівництвом Yu-Chen Chao встановила, що за певних умов — зокрема при високій концентрації організмів на межі розділу повітря та води — ці ембріони демонструють здатність до самовільної організації.

У результаті цього процесу вони формують унікальні структури, які вчені класифікували як «живі хіральні кристали».

Ці дивовижні утворення вибудовуються у надзвичайно впорядковану гексагональну решітку, що за своєю геометрією нагадує структуру природних мінералів.

Проте ключова відмінність полягає в тому, що кожен окремий вузол цієї решітки є повноцінним живим організмом, який продовжує свій розвиток.

Саме цей факт робить спостереження надзвичайно важливим: межа між біологічними процесами та законами фізики виявляється набагато тоншою, ніж передбачалося раніше.

Механізм виникнення «живого кристала» починається з індивідуальної активності кожного окремого ембріона.

Кожна личинка постійно обертається в рідкому середовищі, створюючи навколо себе мікроскопічні гідродинамічні потоки.

Коли кількість таких організмів у замкненому просторі стає великою, їхні індивідуальні рухи починають вступати у складну взаємодію один з одним.

Внаслідок цього виникає ефект колективного притягання, який поступово змушує ембріони групуватися в організовану структуру.

Це призводить до формування нової нерівноважної фази матерії, де хаотичний рух перетворюється на суворий порядок.

Система при цьому залишається динамічною та живою: сформовані кристали можуть перемикатися між коливальними та осцилюючими станами.

Така поведінка безпосередньо пов'язана з порушенням хіральної симетрії, коли напрямок обертання окремих елементів визначає архітектуру всієї системи.

З наукової точки зору, такі системи належать до категорії активної матерії — особливого класу речовин, де частинки самостійно споживають енергію для створення руху.

На відміну від класичної термодинаміки, де порядок зазвичай асоціюється зі станом спокою, тут впорядкованість народжується саме завдяки безперервній активності.

Спостереження «живих хіральних кристалів» стало прямим експериментальним підтвердженням існування нерівноважних фаз у біологічних системах.

Фактично це є яскравим прикладом того, як саме життя здатне виступати архітектором матерії, створюючи складні структури зсередини.

Розуміння цих процесів може мати значний вплив на розвиток кількох інноваційних технологічних напрямків у майбутньому.

Зокрема, це стосується створення самозбірних роботизованих систем, де безліч маленьких елементів автоматично формують єдину структуру.

Також ці знання можуть бути застосовані для управління потоками тепла в електроніці, подібно до того, як ембріони керують рідиною навколо себе.

Крім того, відкриття відкриває шлях до розробки нових матеріалів активної матерії, здатних змінювати структуру залежно від умов середовища.

Для детального вивчення цих явищ вчені розробили вдосконалені методи культивування морських зірок Patiria miniata.

Було встановлено, що личинки досягають стадії готовності до формування кристалічних структур приблизно за 15 днів розвитку.

Повна статева зрілість цих організмів у спеціалізованих проточних системах настає орієнтовно через два роки.

Це забезпечує дослідників стабільною біологічною платформою для подальшого вивчення процесів самоорганізації.

Дане відкриття є важливим нагадуванням про те, що порядок може народжуватися з самої суті життя, без зовнішнього втручання.

Він виникає не через централізоване управління, а завдяки гармонійній взаємодії безлічі маленьких індивідуальних рухів.

Іноді достатньо просто зібрати живі частинки разом — і Всесвіт сам починає вибудовувати досконалий кристал.