好似“活水晶”:海星胚胎被发现以惊人的组织形式游动

2022年07月27日 14:58 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

当一个海星的胚胎在其最早的阶段,也就是在萌发其独特的触角之前看起来像一个小珠子并在水中旋转--就像是一个微型的球轴承。现在,麻省理工学院(MIT)的研究人员发现,当多个海星胚胎旋转到水面上时它们会自然地吸引在一起并自发地组合成一个有组织的、类似水晶的结构,这令人感到惊讶。

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而更令人好奇的是,这种集体的“活晶体”可以表现出奇特的弹性,这是一种奇特的属性,单个单元的旋转--在这种情况下,胚胎--会在整个结构中引发明显更大的涟漪。

据科学家们称,这种波纹晶体结构可以持续相对较长的时间,然后随着单个胚胎的成熟而消散。

“这绝对是了不起的--这些胚胎看起来就像美丽的玻璃珠,它们来到表面形成这种完美的晶体结构,”来自MIT的副教授Nikta Fakhri说道,“就像一群鸟可以避开捕食者,或因为它们可以组织在这些大型结构中而飞得更平稳,也许这种晶体结构可能有一些我们还没有意识到的优势。”

她表示,除了海星之外,这种自我组装的、波纹状的晶体组合可以作为一种设计原则来应用,如在建造集体移动和功能的机器人群中。

“想象一下,建立一个柔软的、旋转的机器人群,它们可以像这些胚胎一样相互作用,”Fakhri说道,“它们可以被设计成自我组织,在海中荡漾和爬行,做有用的工作。这些相互作用开辟了一个新的有趣的物理学探索范围。”

旋转在一起

Fakhri称该小组对海星晶体的观察是一个偶然的发现。她的团队一直在研究海星胚胎如何发育,特别是胚胎细胞在最早期阶段如何分裂。“海星是研究发育生物学的最古老的模型系统之一,因为它们有大的细胞且是光学透明。”

科学家们正在观察胚胎如何在成熟时游动。一旦受精,胚胎就会生长和分裂并形成一个外壳,然后长出微小的毛发或纤毛以推动胚胎在水中游动。在某一点上,纤毛协调地将胚胎旋转到一个特定的旋转方向。该小组成员之一Tzer Han Tan注意到,当胚胎游到水面时它们继续旋转并朝向对方。

“偶尔,一小群会聚集在一起,有点像在跳舞。而且事实证明,还有其他的海洋生物也会做同样的事情,比如一些藻类。因此,我们想,这很有趣。如果你把它们很多放在一起会发生什么呢?”Fakhri说道。

在新研究中,Fakhri和她的同事们让数以千计的海星胚胎受精然后看着它们游到浅盘的表面。

Fakhri指出:“一个盘子里有成千上万的胚胎,它们开始形成这种晶体结构进而可以长得非常大。我们称它们为晶体,因为每个胚胎都被六个相邻的胚胎包围以形成一个六边形,在整个结构中重复出现,这跟石墨烯中的晶体结构非常相似。”

抖动的晶体

为了了解什么可能触发胚胎像晶体一样组装,研究人员首先研究了单个胚胎的流场或水在胚胎周围流动的方式。为了做到这一点,他们将单个海星的胚胎放在水中,然后将更小的珠子加入到混合物中并拍摄珠子在水面上围绕胚胎流动的图像。

根据珠子的方向和流动,研究人员能绘制胚胎周围的流场。他们发现,胚胎表面的纤毛以这样的方式跳动从而使胚胎向一个特定的方向旋转并在胚胎的两边形成漩涡,然后吸引较小的珠子进来。

Mietke是MIT Dunkel应用数学组的博士后研究员,其将这个流场从单个胚胎中处理成许多胚胎的模拟并将模拟向前运行,以此来看看它们将如何表现。该模型产生了跟研究小组在其实验中观察到的相同晶体结构,另外还证实了胚胎的结晶行为很可能是它们的流体动力相互作用和手性的结果。

在实验中,科学家们还观察到,一旦一个晶体结构形成就会持续数天,在这段时间内,自发的波纹开始在晶体上传播。

“我们可以看到这个晶体在很长的时间内旋转和抖动,这绝对是出乎意料的。你会期望这些涟漪迅速消失,因为水是粘性的,会抑制这些振荡。这告诉我们该系统有某种奇怪的弹性行为,”Mietke说道。

自发的、持久的波纹可能是单个胚胎之间相互作用的结果,这些胚胎像互锁的齿轮一样相互旋转。随着数以千计的齿轮在晶体形成中旋转,许多单独的旋转可能在整个结构中掀起一个更大的集体运动。

现在,该团队正在调查其他生物如海胆是否表现出类似的结晶行为。此外,他们还在探索这种自组装结构如何能在机器人系统中复制。

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