[论文解读] Development drives dynamics of living chiral crystals
本研究证明，游泳的海星胚胎通过其内在发育过程，能自组织形成跨越数千个个体的持久、手性晶体。通过实验、流体动力学理论和模拟，作者表明，这些活体晶体表现出类似于奇弹性材料理论预测的自持振荡，揭示了个体内发育如何支配宏观集体动力学与对称性破缺。
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.
研究动机与目标
- 研究多细胞生物的自主形态发生是否能驱动活性物质中的集体结晶化。
- 确定此类发育过程是否可导致出现手性、持久且动态活跃的晶体结构。
- 探讨发育时间与这些活体晶体的形成、动力学及解体之间的关联。
- 检验所观察到的集体行为是否符合奇弹性材料的理论预测。
提出的方法
- 在悬浮液中实验观察游泳的海星胚胎，以捕捉自发晶体形成及长期动力学。
- 通过流体动力学理论建模，解释由活跃发育粒子产生的手性序与自持振荡的出现机制。
- 对具有发育驱动运动性的活性粒子系统进行数值模拟，以验证理论预测。
- 分析时间序列成像数据，量化晶体尺寸、旋转及持续时间，历时数十小时。
- 将实验动力学与奇弹性理论模型进行比较，以识别动力学特征。
实验结果
研究问题
- RQ1在无外部刺激的条件下，自主发育的多细胞生物是否能自发形成持久、手性的晶体？
- RQ2单个胚胎的内在发育程序如何控制由此产生的晶体的集体动力学？
- RQ3这些活体晶体是否表现出与奇弹性理论预测一致的自持振荡？
- RQ4发育时间在晶体形成、稳定性及最终解体过程中起什么作用？
- RQ5发育过程中的流体相互作用与运动性变化是否足以解释所观察到的对称性破缺与手性序？
主要发现
- 海星胚胎自发形成跨越数千个个体的手性晶体，持续数十小时。
- 这些晶体的形成与动力学直接由胚胎自然发育进程所控制。
- 活体晶体表现出自持振荡，其动力学特征与奇弹性材料的理论预测一致。
- 该系统揭示了个体内发育与活性物质中宏观对称性破缺之间的直接联系。
- 流体动力学理论与模拟证实，由发育驱动的运动性变化足以解释所观察到的集体行为。
- 胚胎完成发育周期后，晶体随之解体，表明发育与集体动力学之间存在紧密耦合。
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