對稱性破壞是活的和合成的活性物質(zhì)的標志。從多細胞生物的不對稱生長到游泳細胞和自推進膠體的連貫運動，活性系統(tǒng)形成了具有不尋常材料特性的自組織結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)只能在遠離熱平衡的地方出現(xiàn)。盡管在過去十年中取得了重大的實驗和理論進展，但我們才剛剛開始了解多細胞和多有機體系統(tǒng)的復(fù)雜集體行為是如何從其個體成分的破壞對稱性和非平衡動力學(xué)中產(chǎn)生的。一類特別有趣的非平衡對稱破壞現(xiàn)象包括最近在膠體和細菌系統(tǒng)中觀察到的活性結(jié)晶過程。與在降低溫度時形成并且通常需要吸引力的傳統(tǒng)被動晶體不同，主動結(jié)晶產(chǎn)生于粒子的自推進，甚至可以在純粹排斥的稀釋系統(tǒng)中發(fā)生。一個長期存在的、相關(guān)的、未回答的問題是，多細胞生物群是否可以自我組織成晶體有序的狀態(tài)，如果可以，它們可能會表現(xiàn)出什么新的物質(zhì)特性。鑒于此，麻省理工學(xué)院Nikta Fakhri等人報道了一種不同類型的晶體的自組裝，這種晶體由漂浮在水面上的海星胚胎組成，可以被認為是遠離熱力學(xué)平衡的“原子”。這種活晶體的行為表現(xiàn)出一種稱為奇異彈性（odd elasticity）的機械非互易性，在平衡中是被禁止的。
什么是奇異彈性？在處于平衡狀態(tài)的普通晶體（想象一下金屬，甚至食鹽）中，原子之間的相互作用會產(chǎn)生我們習(xí)慣的機械性能：如果你推動一種材料，它會直接向后推。然而，不平衡的奇異晶體可能與大規(guī)模的機械后果產(chǎn)生非互惠的相互作用：對機械刺激的“奇怪”反應(yīng)發(fā)生，這是經(jīng)典力學(xué)所禁止的，并且打破了互惠的黃金法則。例如，在這些奇怪的材料中，壓縮和旋轉(zhuǎn)不可逆地耦合：壓縮材料會導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)應(yīng)力，但旋轉(zhuǎn)不會導(dǎo)致壓縮應(yīng)力。盡管它們的名字，這些奇怪的耦合并不是那么奇怪：當平衡的約束被解除時，它們通常是預(yù)期的。波蘭科學(xué)家 Stanislaw Ulam 曾經(jīng)說過：“不要問物理學(xué)能為生物學(xué)做些什么，問問生物學(xué)可以為物理學(xué)做些什么。”確實，生命系統(tǒng)為研究非平衡物理學(xué)的思想提供了有趣的（如果混亂的話）平臺。該研究的實驗延續(xù)了將生物系統(tǒng)提煉成其基本組成部分的富有成效的趨勢，以闡明物質(zhì)在活動時所具有的基本特性。但這樣的實驗也給生物學(xué)家提出了問題。通過了解這些純化的仿生系統(tǒng)的基本物理特性，可以深入了解它們來自的體內(nèi)生物系統(tǒng)。細胞骨架（賦予細胞結(jié)構(gòu)的生物聚合物的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)）可以被描述為一個活躍的向列系統(tǒng)。因此，研究人員使用這些聚合物的純化混合物來研究活性向列相的物理特性，其定量細節(jié)水平在細胞內(nèi)是無法實現(xiàn)的。但對所形成模式的洞察力并不僅限于純化成分的物理特性。相反，這些想法開始反饋到它們產(chǎn)生的生物學(xué)背景中。例如，一個活躍的向列框架揭示了向列排序中的缺陷可以幫助協(xié)調(diào)生物體的發(fā)育。同樣，該研究對生物系統(tǒng)中奇異彈性的識別引發(fā)了兩個更廣泛的問題。首先，生物中的奇怪行為有多普遍？其次，它們是否具有某種生物學(xué)功能？該團隊的實驗證明了奇異性和手性之間的基本聯(lián)系：奇異彈性必然意味著材料可以區(qū)分為右手或左手。在該的實驗中，手性決定了海星胚胎的旋轉(zhuǎn)方向。更普遍地說，手性存在于許多生物系統(tǒng)中，因此這些發(fā)現(xiàn)暗示了奇怪行為可能也很常見的想法。這是否意味著手性的作用尚未被揭示？相反，從設(shè)計的角度來看，該研究開發(fā)的平臺是在有生命的物質(zhì)（能夠感知、計算和響應(yīng)外部刺激的材料）的道路上邁出的一步。據(jù)今年報道，這種材料可能會通過合成手段模仿有生命的行為，例如在旋轉(zhuǎn)膠體系統(tǒng)中實現(xiàn)奇怪的彈性。或者，它們可能直接包含生物元素，就像海星胚胎晶體中的情況一樣。后一種方法的優(yōu)點是系統(tǒng)中內(nèi)置了一個內(nèi)部能量儲存器：本文證明的奇異彈性在沒有外部輸入的情況下持續(xù)數(shù)小時，僅當胚胎生長使晶體破裂時才停止。奇怪的材料在什么意義上是有生命的？該研究的系統(tǒng)會在胚胎的位置產(chǎn)生自發(fā)的振蕩波，這些波會在晶體的整個生命周期中持續(xù)存在。對奇異材料的理論預(yù)測是，這種波可以響應(yīng)外部壓縮而誘發(fā)，或者更普遍地說，表現(xiàn)出奇異行為的系統(tǒng)將在特定刺激下表現(xiàn)出振蕩運動。這種動態(tài)狀態(tài)可以構(gòu)成材料本身的機械編程和計算的基礎(chǔ)；例如，通過在不同的動態(tài)狀態(tài)之間切換以響應(yīng)不同的刺激。圖|缺陷應(yīng)變和位移波表現(xiàn)出奇異彈性的特征綜上，該研究位于材料設(shè)計和基礎(chǔ)物理學(xué)的紐帶：他們的系統(tǒng)讓我們得以一窺如何打破相互作用的黃金法則，導(dǎo)致活性固體中有趣的涌現(xiàn)行為。雖然奇異彈性是活晶體的一個標志，但可能還有很多其他的。我們還沒有理解使用活性成分創(chuàng)造的設(shè)計師材料的更廣泛原則。1.Tan, T.H., Mietke, A., Li, J. et al. Odd dynamics of living chiral crystals. Nature 607, 287–293 (2022).https://doi.org/10.1038/s41586-022-04889-62. Odd living matter defies the golden rule of mechanics. Nature 607, 246-247 (2022)https://doi.org/10.1038/d41586-022-01840-7
