[論文レビュー] Development drives dynamics of living chiral crystals

Tzer Han Tan, Alexander Mietke+7 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2021

Micro and Nano Robotics参考文献 22被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、泳ぐ海綿虫の胚が、自発的に数千人規模にわたる長期間にわたるヘリカル結晶を形成することを示しており、これはその内在的な発生過程によって駆動されている。実験、流体力学的理論、およびシミュレーションを用いて、著者らは、これらの生きている結晶が奇抜な弾性体に予測されたものと類似した自己持続的振動を示すことを明らかにした。これは、個体の発生がマクロスケールの集団的ダイナミクスおよび対称性の破れをどのように支配するかを示している。

ABSTRACT

Active crystals are highly ordered structures that emerge from the nonequilibrium self-organization of motile objects, and have been widely studied in synthetic and bacterial active matter. Whether collective crystallization phenomena can occur naturally in groups of autonomously developing multicellular organisms is currently unknown. Here, we show that swimming starfish embryos spontaneously assemble into chiral crystals that span thousands of spinning organisms and persist for tens of hours. Combining experiment, hydrodynamic theory, and simulations, we demonstrate that the formation, dynamics, and dissolution of these living crystals are controlled by the natural development of the embryos. Remarkably, the living chiral crystals exhibit self-sustained oscillations with dynamic signatures recently predicted to appear in odd elastic materials. More generally, our work demonstrates how autonomous morphological development at the single-organism level can control emergent collective nonequilibrium dynamics and symmetry breaking at the macroscale.

研究の動機と目的

• 多細胞生物における自律的形態発生が、活性物質における集団的結晶化を引き起こすかどうかを調査すること。
• このような発生過程が、発生的ヘリカルで長期間にわたる、かつ動的活性な結晶構造を生じさせることを特定すること。
• 発生タイミングとこれらの生きている結晶の形成、ダイナミクス、および崩壊との関係を探索すること。
• 観察された集団的行動が、奇抜な弾性体理論による予測と一致するかどうかを検証すること。

提案手法

• 懸濁液中での泳ぐ海綿虫の胚の実験的観察により、自発的な結晶形成および長期的ダイナミクスを捉えること。
• 活性で発生中の粒子からヘリカル秩序と自己持続的振動の出現を説明する流体力学的理論モデルの構築。
• 発生に起因する運動性を有する活性粒子系の数値シミュレーションにより、理論的予測の妥当性を検証すること。
• 時間分解能画像データの解析により、数時間にわたる結晶のサイズ、回転、持続性を定量すること。
• 実験的ダイナミクスと奇抜な弾性体の理論的モデルとの比較により、ダイナミックな特徴を同定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部要因が存在しない条件下で、自律的発生を行う多細胞生物が、自発的に長期間にわたるヘリカル結晶を形成できるか？
• RQ2 個体の内在的発生プログラムが、その結果生じる結晶の集団的ダイナミクスをどのように支配するか？
• RQ3 これらの生きている結晶は、奇抜な弾性体理論による予測と整合する自己持続的振動を示すか？
• RQ4 発生タイミングは、結晶の形成、安定性、および最終的な崩壊にどのような役割を果たすか？
• RQ5 発生中の流体力学的相互作用および運動性の変化が、観察された対称性の破れとヘリカル秩序を説明できるか？

主な発見

• 海綿虫の胚は、数千人規模にわたる個体を含み、数時間にわたって持続するヘリカル結晶を自発的に形成する。
• これらの結晶の形成とダイナミクスは、胚の自然な発生進行によって直接制御されている。
• 生きている結晶は自己持続的振動を示し、奇抜な弾性体材料の理論的予測と一致するダイナミックな特徴を示す。
• 本系は、単一生物の発生と活性物質におけるマクロスケールの対称性の破れとの直接的な関連を示している。
• 流体力学的理論とシミュレーションにより、発生に起因する運動性の変化が、観察された集団的行動を説明するのに十分であることが確認された。
• 胚が発生サイクルを完了するにつれて結晶は崩壊するため、発生と集団的ダイナミクスが密接に連携していることが示された。