Ruồi giấm chứa hàng nghìn tinh trùng dài gấp đôi cơ thể trong một túi nhỏ xíu: Bí quyết chống rối đến từ vật lý của 'vật chất hoạt động'

Cơ chế chống rối: Một 'tinh thể lỏng sống'

Sử dụng kỹ thuật tái tạo ba chiều độ phân giải cao và chụp ảnh trực tiếp nhanh, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng tinh trùng được lưu trữ không phải là một mớ hỗn độn, mà là một khối dày đặc, thẳng hàng và phân lớp . Các phát hiện chính tiết lộ một cơ chế gồm ba phần:

1. Tự sắp xếp thành các lớp thẳng hàng. Các đuôi tinh trùng gấp lại với nhau theo những chuyển động nhịp nhàng, liên tục, được các nhà khoa học ví như 'máy kéo kẹo kéo kiểu cũ' . Điều này tạo ra một cấu trúc giống như một tinh thể lỏng sống – có trật tự như chất rắn nhưng có thể chảy như chất lỏng .

2. Chuyển động tập thể (sự 'tụ đàn' của vật chất hoạt động). Không giống như tinh trùng người, tinh trùng ruồi giấm không thể bơi tự do; chúng chỉ có thể ngoe nguẩy tại chỗ . Nhưng khi bị nén chặt với nhau, chúng tham gia vào một chuyển động phối hợp, đẩy vào nhau để giữ cho các đuôi luôn căng ra . Các tác giả giải thích: 'Càng căng, đuôi càng ít có khả năng bị rối' .

3. Gấp và duỗi liên tục. Khối tinh trùng không bao giờ đứng yên. Nó liên tục chảy và gấp lại trong túi chứa, tạo ra một trạng thái ổn định năng động, chủ động chống lại xu hướng hỗn loạn về mặt entropy .

Tóm lại, các tinh trùng chủ động tự tổ chức thành một tập thể duy trì trật tự – không phải mặc dù bị nén chặt, mà chính nhờ sự nén chặt đó cho phép chuyển động phối hợp .

Ý nghĩa rộng lớn hơn đối với sinh học 'vật chất hoạt động'

Khám phá này vượt xa một sự tò mò về sinh sản của côn trùng. Nó cung cấp một phòng thí nghiệm tự nhiên để nghiên cứu 'vật chất hoạt động' – các hệ thống gồm những tác nhân tự đẩy, tạo ra các dòng chảy và trật tự ở quy mô lớn, khác xa trạng thái cân bằng . Những hàm ý rất rộng:

Mô hình mới cho việc đóng gói sợi dày đặc. Các sợi dài, mềm dẻo (như polymer hay DNA) thường rối vào nhau khi bị nén chặt. Hệ thống này cho thấy một giải pháp sinh học chưa từng biết: chuyển động phối hợp, chủ động có thể duy trì trật tự mật độ cao trong một hệ thống sợi mà lẽ ra sẽ không tránh khỏi rối loạn .

Hệ thống mô hình cho 'nematic hoạt tính'. Túi chứa tinh trùng thể hiện các dấu hiệu của vật chất hoạt động, bao gồm sự tụ đàn tự phát, trạng thái xoáy và sự sắp thẳng hàng do lực cắt – biến nó thành một hệ thống lý tưởng để nghiên cứu vật lý của nematic hoạt tính .

Liên quan đến tổ chức nội bào. Các nguyên lý vật lý tương tự có thể áp dụng cho cách tế bào tổ chức các sợi dài của chính mình – bao gồm đóng gói DNA, các bó vi ống và tiên mao. Nghiên cứu cho thấy rằng chuyển động chủ động, nhờ năng lượng ATP, có thể là một chiến lược chung để giữ cho các polymer sinh học dài không bị rối và hoạt động tốt trong không gian chật hẹp .

Nguyên tắc thiết kế cho hệ thống nhân tạo. Các kỹ sư thiết kế bầy robot siêu nhỏ, mạng lưới sợi dày đặc hay vật liệu hoạt động có thể học hỏi từ những nguyên tắc này: hoạt tính kết hợp với sự giam hãm có thể tạo ra trật tự thay vì hỗn loạn, miễn là các tác nhân có khả năng duy trì chuyển động tập thể bền vững .