RW Space

Крошечные желеобразные шарики совершают идеальные пируэты в воде — их движение создает силу, привлекающую их соседей. Когда достаточное их количество собирается вместе, этот синхронизированный танец выстраивает их в четкие шестигранные, упорядоченные, повторяющиеся узоры, точно так же, как атомы углерода в кристаллической структуре графена.

Но это не атомы или какой-либо другой тип неодушевленная материя, управляемая только силами физики – это живые, самодвижущиеся морские звезды-эмбрионы (Patiria miniata).

Вращающиеся эмбрионы морских звезд, собирающиеся в живой кристалл. (Tan et al., Nature, 2022)

«Мы знаем, что у нас есть кристаллы многих материалов, но мы никогда не связывали образование кристалл с компонентами, которые на самом деле являются живыми», — сказал физик Массачусетского технологического института Никта Фахри в интервью журналу Nature.

«Это было совершенно замечательное явление, о котором никогда раньше не сообщалось».

Фахри, физик из Массачусетского технологического института Цер Хан Тан и его коллеги изучают активную материю — системы, в которых каждый отдельный компонент (например, птица в стае или клетка в капле воды) использует энергию для движения, выбрасывая всю группу. баланса с окружающей средой.

Как и обычная материя, эти системы также могут обладать удивительными эмерджентными свойствами. «Кристаллы» морских звезд не являются исключением.

Каждый эмбрион вращается в левостороннем направлении с помощью волосообразных ресничек. Когда на поверхности воды собирается достаточное количество особей, по созданной ими структуре начинает течь спонтанная рябь.

Это очень крупномасштабные волны, размером с сам кристалл, — объясняет Фахри.

Модель ряби со стрелками и цветовой кодировкой для указания направления каждого эмбриона. (Tan et al., Nature, 2022 г.)

«Мы могли видеть, как этот кристалл вращался и покачивался в течение очень долгого времени, что было абсолютно неожиданно», – говорит Александр Митке, биофизик-теоретик из Массачусетского технологического института и автор исследования.

«Можно ожидать, что эти колебания быстро исчезнут, потому что вода вязкая и гасит эти колебания. Это говорит нам о том, что система какое-то странное эластичное поведение».

Исследователи смоделировали движения эмбрионов, чтобы увидеть, как их вращение притягивает воду к себе. Это, в свою очередь, притягивает к себе и их вращающихся соседей, образуя ответную силу притяжения.

Но эта вода, которая в конечном итоге стекает вниз, также создает еще одну горизонтальную силу, на которую не действует возвратно-поступательная сила внутри системы. Это заставляет вращаться и всю кристаллическую структуру.

И общее вращение, и волны демонстрируют физические черты странной эластичности. Это странно, потому что, согласно классическим законам физики, простая деформация изолированного твердого объекта, такого как кристалл, плавающий в воде, при определенном стечении обстоятельств не должна привести его в действие через окружающую среду.

Однако, если объект состоит из активных компонентов, это общее изменение формы может иметь некоторые интересные механические свойства.

По крайней мере, это теория. На самом деле, это все еще изучаемая область физики.

В природе возникают некоторые интригующие возможности. Подобное явление ранее наблюдалось и у водорослей.

Вращающаяся кристаллоподобная структура рассеивается примерно через 30 часов. (Tan et al., Nature, 2022)

После того как маленькие морские звезды образуют плавучую живую кристаллическую структуру, она держится несколько дней. до того, как развитие эмбриона изменит их настолько, что модель разрушится.

Понимание этих физических свойств одушевленных поможет нам в разработке новых технологий.

«Представьте себе создание роя мягких вращающихся роботов. которые могут взаимодействовать друг с другом, как эти зародыши, — говорит Фахри.

— Их можно сконструировать так, чтобы они могли самоорганизовываться, чтобы плескаться и ползать по морю, выполняя полезную работу. Эти взаимодействия открывают новый диапазон интересная физика для изучения.»

Что касается галактик младенческих морских звезд – да, у морских звезд есть самое совершенное собирательное существительное! – образуют кристаллические структуры, когда собираются, в настоящее время это загадка.

Однако этот феномен живых кристаллов вряд ли может происходить естественным образом в дикой природе, поскольку зародыши морских звезд обычно не висят на поверхности воды.

Это исследование было опубликовано в Природа.