Khi sự sống tự kết tinh: Phôi sao biển hé lộ một trạng thái vật chất hoàn toàn mới

Các nhà khoa học vừa phát hiện một hiện tượng vật chất chủ động vô cùng kỳ lạ trong các quần thể phôi sao biển thuộc loài Patiria miniata ở mật độ cao. Nghiên cứu mang tính đột phá này được thực hiện bởi một đội ngũ chuyên gia dưới sự dẫn dắt của Yu-Chen Chao, cho thấy một khả năng tự tổ chức đáng kinh ngạc của các sinh vật ở cấp độ sơ khai.

Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, khi tập trung với nồng độ cao tại ranh giới giữa không khí và nước, các phôi sao biển bắt đầu tự phát hình thành nên những cấu trúc có tổ chức mà các nhà nghiên cứu định danh là «tinh thể chiral sống». Đây là một trạng thái hiếm hoi nơi các thực thể sinh học hành xử như các đơn vị vật lý cơ bản.

Những cấu trúc đặc biệt này tự sắp xếp thành một mạng lưới lục giác có trật tự cực kỳ chính xác, gần như tương đồng với cấu trúc tinh thể trong các loại khoáng vật tự nhiên. Tuy nhiên, điểm độc đáo nằm ở chỗ mỗi thành phần trong mạng lưới này không phải là nguyên tử tĩnh lặng mà là một sinh vật sống đang vận động.

Chính quan sát này đã mang lại một giá trị khoa học to lớn, cho thấy ranh giới giữa các quy luật sinh học và vật lý học thực tế mỏng manh hơn nhiều so với những gì chúng ta từng giả định. Nó mở ra một chương mới trong việc tìm hiểu cách thức sự sống tương tác với các quy luật cơ bản của vũ trụ.

Cơ chế hình thành nên loại «tinh thể sống» này bắt đầu từ chính những chuyển động tự thân của các phôi sao biển. Trong môi trường chất lỏng, mỗi cá thể phôi liên tục xoay tròn, từ đó tạo ra những dòng chảy thủy động lực học ở quy mô siêu nhỏ xung quanh cơ thể chúng.

Khi số lượng các sinh vật này tăng lên và tập hợp lại trong một không gian hẹp, những chuyển động riêng lẻ của chúng bắt đầu tương tác và tác động lẫn nhau. Sự phối hợp ngẫu nhiên nhưng nhịp nhàng này tạo tiền đề cho một sự thay đổi trạng thái tập thể lớn hơn.

Từ đó, một hiệu ứng hấp dẫn tập thể xuất hiện, dần dần kéo các phôi sao biển lại gần nhau và sắp xếp chúng vào một mạng lưới có tổ chức chặt chẽ. Quá trình này hình thành nên một pha vật chất không cân bằng mới, thách thức những hiểu biết truyền thống về trạng thái của vật chất.

Hệ thống này luôn duy trì trạng thái sống và tính năng động cực cao, nơi các tinh thể có khả năng chuyển đổi linh hoạt giữa các trạng thái dao động và nhịp điệu khác nhau. Điều này tạo nên một thực thể vừa mang tính chất của vật chất rắn, vừa mang đặc tính của sinh vật sống.

Hành vi tập thể này liên quan trực tiếp đến việc phá vỡ tính đối xứng chiral. Trong vật lý, đây là hiện tượng mà sự xoay tròn của từng phần tử riêng lẻ đóng vai trò quyết định trong việc định hình cấu trúc và tính chất của toàn bộ hệ thống lớn xung quanh chúng.

Những hệ thống như vậy được xếp vào lĩnh vực nghiên cứu về vật chất chủ động (active matter). Đây là một nhánh khoa học hiện đại nghiên cứu về các hạt có khả năng tự tiêu thụ năng lượng từ môi trường để tạo ra chuyển động tự thân thay vì chỉ chịu tác động từ ngoại lực.

Khác biệt hoàn toàn với các quy luật nhiệt động lực học cổ điển, nơi trật tự thường được thiết lập từ trạng thái nghỉ ngơi hoặc cân bằng, trong hệ thống phôi sao biển này, trật tự lại nảy sinh từ chính sự hoạt động và tiêu hao năng lượng liên tục.

Việc quan sát thành công các «tinh thể chiral sống» đã cung cấp một bằng chứng thực nghiệm trực tiếp và thuyết phục về sự tồn tại của các pha không cân bằng trong các hệ thống sinh học phức tạp. Đây là một bước tiến quan trọng trong việc kết nối vật lý lý thuyết với thực tế sinh học.

Về cơ bản, đây là một ví dụ điển hình minh chứng cho việc sự sống có khả năng tự tạo ra kiến trúc của vật chất. Sự sống không chỉ tồn tại trong vật chất mà còn chủ động nhào nặn vật chất theo những cấu trúc hình học tinh vi nhất.

Việc thấu hiểu sâu sắc các quy trình tự tổ chức này có thể tạo ra những tác động lan tỏa mạnh mẽ đến nhiều lĩnh vực công nghệ tiên tiến trong tương lai gần, đặc biệt là trong việc thiết kế các hệ thống thông minh.

Một trong những ứng dụng tiềm năng nhất là phát triển các hệ thống robot tự lắp ráp. Trong tương lai, chúng ta có thể tạo ra hàng loạt các bộ phận nhỏ có khả năng tự động phối hợp để hình thành nên những cấu trúc máy móc phức tạp mà không cần sự can thiệp từ bên ngoài.

Bên cạnh đó, nghiên cứu này còn gợi mở phương pháp quản lý dòng nhiệt hiệu quả trong các thiết bị điện tử. Cách thức các phôi sao biển điều phối dòng chất lỏng xung quanh có thể được mô phỏng để tạo ra các hệ thống tản nhiệt chủ động thế hệ mới.

Ngoài ra, nó cũng đặt nền móng cho việc tạo ra các loại vật liệu vật chất chủ động mới. Đây là những loại vật liệu có khả năng tự thay đổi cấu trúc, độ cứng hoặc hình dạng để phản ứng và thích nghi một cách hoàn hảo với các điều kiện thay đổi của môi trường.

Để có thể nghiên cứu kỹ lưỡng những hiện tượng hiếm gặp này, các nhà khoa học đã phải dày công phát triển các phương pháp nuôi cấy cải tiến dành riêng cho loài sao biển Patiria miniata trong môi trường phòng thí nghiệm.

Theo quy trình này, các ấu trùng sẽ đạt đến giai đoạn sẵn sàng cho các thí nghiệm về sự tự tổ chức trong khoảng 15 ngày. Tuy nhiên, để các cá thể này đạt đến độ trưởng thành về mặt sinh dục trong các hệ thống dòng chảy, chúng cần một khoảng thời gian chăm sóc kéo dài khoảng hai năm.

Sự kiên trì trong việc thiết lập quy trình nuôi cấy này đã tạo ra một nền tảng sinh học ổn định và đáng tin cậy. Đây là cơ sở quan trọng cho các nghiên cứu chuyên sâu hơn về khả năng tự tổ chức và các pha vật chất mới trong tương lai.

Khám phá này như một lời nhắc nhở đầy thi vị rằng trật tự có thể được sinh ra từ chính bản thân sự sống. Trật tự đó không nhất thiết phải đến từ một sự điều khiển tập trung hay mệnh lệnh từ bên ngoài, mà nảy sinh từ sự tương tác hài hòa của vô số những chuyển động nhỏ bé.

Đôi khi, bí mật của vũ trụ chỉ đơn giản là tập hợp những hạt giống của sự sống lại với nhau. Khi các điều kiện hội đủ, tự thân sự sống sẽ bắt đầu thực hiện vũ điệu của mình để xây dựng nên những tinh thể kỳ diệu và hoàn mỹ nhất của tự nhiên.