當一個海星的胚胎在其最早的階段，也就是在萌發其獨特的觸角之前看起來像一個小珠子並在水中旋轉–就像是一個微型的球軸承。現在，麻省理工學院(MIT)的研究人員發現，當多個海星胚胎旋轉到水面上時它們會自然地吸引在一起並自發地組合成一個有組織的、類似水晶的結構，這令人感到驚訝。
而更令人好奇的是，這種集體的“活晶體”可以表現出奇特的彈性，這是一種奇特的屬性，單個單元的旋轉–在這種情況下，胚胎–會在整個結構中引發明顯更大的漣漪。
據科學家們稱，這種波紋晶體結構可以持續相對較長的時間，然後隨着單個胚胎的成熟而消散。
“這絕對是了不起的–這些胚胎看起來就像美麗的玻璃珠，它們來到表面形成這種完美的晶體結構，”來自MIT的副教授Nikta Fakhri說道，“就像一群鳥可以避開捕食者，或因為它們可以組織在這些大型結構中而飛得更平穩，也許這種晶體結構可能有一些我們還沒有意識到的優勢。”
她表示，除了海星之外，這種自我組裝的、波紋狀的晶體組合可以作為一種設計原則來應用，如在建造集體移動和功能的機器人群中。
“想象一下，建立一個柔軟的、旋轉的機器人群，它們可以像這些胚胎一樣相互作用，”Fakhri說道，“它們可以被設計成自我組織，在海中蕩漾和爬行，做有用的工作。這些相互作用開闢了一個新的有趣的物理學探索範圍。”
旋轉在一起
Fakhri稱該小組對海星晶體的觀察是一個偶然的發現。她的團隊一直在研究海星胚胎如何發育，特別是胚胎細胞在最早期階段如何分裂。“海星是研究發育生物學的最古老的模型系統之一，因為它們有大的細胞且是光學透明。”
科學家們正在觀察胚胎如何在成熟時遊動。一旦受精，胚胎就會生長和分裂並形成一個外殼，然後長出微小的毛髮或纖毛以推動胚胎在水中遊動。在某一點上，纖毛協調地將胚胎旋轉到一個特定的旋轉方向。該小組成員之一Tzer Han Tan注意到，當胚胎游到水面時它們繼續旋轉並朝向對方。
“偶爾，一小群會聚集在一起，有點像在跳舞。而且事實證明，還有其他的海洋生物也會做同樣的事情，比如一些藻類。因此，我們想，這很有趣。如果你把它們很多放在一起會發生什麼呢？”Fakhri說道。
在新研究中，Fakhri和她的同事們讓數以千計的海星胚胎受精然後看着它們游到淺盤的表面。
Fakhri指出：“一個盤子里有成千上萬的胚胎，它們開始形成這種晶體結構進而可以長得非常大。我們稱它們為晶體，因為每個胚胎都被六個相鄰的胚胎包圍以形成一個六邊形，在整個結構中重複出現，這跟石墨烯中的晶體結構非常相似。”
抖動的晶體
為了了解什麼可能觸發胚胎像晶體一樣組裝，研究人員首先研究了單個胚胎的流場或水在胚胎周圍流動的方式。為了做到這一點，他們將單個海星的胚胎放在水中，然後將更小的珠子加入到混合物中並拍攝珠子在水面上圍繞胚胎流動的圖像。
根據珠子的方向和流動，研究人員能繪製胚胎周圍的流場。他們發現，胚胎表面的纖毛以這樣的方式跳動從而使胚胎向一個特定的方向旋轉並在胚胎的兩邊形成漩渦，然後吸引較小的珠子進來。
Mietke是MIT Dunkel應用數學組的博士后研究員，其將這個流場從單個胚胎中處理成許多胚胎的模擬並將模擬向前運行，以此來看看它們將如何表現。該模型產生了跟研究小組在其實驗中觀察到的相同晶體結構，另外還證實了胚胎的結晶行為很可能是它們的流體動力相互作用和手性的結果。
在實驗中，科學家們還觀察到，一旦一個晶體結構形成就會持續數天，在這段時間內，自發的波紋開始在晶體上傳播。
“我們可以看到這個晶體在很長的時間內旋轉和抖動，這絕對是出乎意料的。你會期望這些漣漪迅速消失，因為水是粘性的，會抑制這些振蕩。這告訴我們該系統有某種奇怪的彈性行為，”Mietke說道。
自發的、持久的波紋可能是單個胚胎之間相互作用的結果，這些胚胎像互鎖的齒輪一樣相互旋轉。隨着數以千計的齒輪在晶體形成中旋轉，許多單獨的旋轉可能在整個結構中掀起一個更大的集體運動。
現在，該團隊正在調查其他生物如海膽是否表現出類似的結晶行為。此外，他們還在探索這種自組裝結構如何能在機器人系統中複製。