Labmedya - Laboratuvar ve Sağlık Gazetesi

Bir deniz yıldızı embriyosu en erken evrelerinde, kendine özgü dokunaçlarını filizlendirmeden önce, küçük bir boncuk gibi görünüyor ve suda minyatür bir bilye gibi dönüyor.

MIT’den bir ekip, birden fazla denizyıldızı embriyosunun su yüzeyine çıktığında doğal bir şekilde birbirlerine çekildiklerini ve kendiliğinden organize olarak kristal benzeri bir yapıya dönüştüklerini keşfetti.

Daha da ilginç olanı, bu kolektif "canlı kristal", tek tek birimlerin (bu durumda embriyoların) döndürülmesinin tüm yapı boyunca önemli ölçüde daha büyük dalgalanmaları tetiklediği egzotik bir özellik olan tuhaf bir esneklik sergileyebilir.

Araştırmacılara göre, bu dalgalanan kristal şekil, bireysel embriyolar olgunlaştıkça, birbirlerinden ayrılmadan, önce nispeten uzun süreler boyunca devam edebilir.

MIT'den Doç. Dr. Nikta Fakhri, "Bu kesinlikle dikkate değer. Bu embriyolar güzel cam boncuklara benziyorlar ve bu mükemmel kristal yapıyı oluşturmak için yüzeye çıkıyorlar. Tıpkı yırtıcılardan kaçabilen kuşlar gibi veya organize olabildikleri için birlikte daha düzgün bir şekilde uçabilen bir kuş sürüsü gibi… Belki de bu kristal yapının henüz bilmediğimiz bazı avantajları olabilir" dedi.

Denizyıldızının ötesinde bu kendi kendine oluşan dalgalanan kristal topluluğu, örneğin toplu olarak hareket eden ve işlev gören robot sürülerinin yapımında bir tasarım ilkesi olarak uygulanabilir.

Fakhri, “Bu embriyolar gibi birbirleriyle etkileşime girebilen yumuşak, dönen robotlar sürüsü yaptığınızı hayal edin. Yararlı işler yapmak için denizde dalgalanmak veya [deniz tabanında] sürünmek için kendi kendine organize olacak şekilde tasarlanabilirler” dedi. Buradan yola çıkarsak bu yeni keşif sayesinde fizikte yeni ufukların da pencerisini aralayabiliriz.

Birlikte Dönüyorlar

Fakhri, grubun deniz yıldızı kristalleriyle ilgili gözlemlerinin “tesadüfi bir keşif” olduğunu söylüyor. Fakhri’nin ekibi şu anda denizyıldızı embriyolarının nasıl geliştiğini ve özellikle embriyonik hücrelerin en erken aşamalarda nasıl bölündüğünü araştırıyor.

Fakhri’nin söylediklerine göre denizyıldızları büyük hücrelere sahip oldukları ve optik olarak şeffaf oldukları için gelişimsel biyolojiyi incelemek için en eski model sistemlerden biri. Bu yüzden bu tesadüfi buluş rastgele bir araştırma sırasında keşfedilmedi. Bilim insanları embriyoların olgunlaştıkça nasıl yüzdüğünü gözlemliyorlardı. Döllendikten sonra embriyolar büyür ve bölünür, daha sonra bir embriyoyu suya iten küçük tüyleri veya kirpikleri filizleyen bir kabuk oluşturur. Belirli bir noktada, kirpikler bir embriyoyu belirli bir dönme yönünde veya kiralitede döndürmek için koordine eder. Buluş, grup üyelerinden Tzer Han Tan’ın embriyoların yüzeye çıkarken birbirlerine doğru çekilip dönmeye devam ettiklerini fark etmesiyle ortaya çıktı.

Fakhri, "Arada bir küçük bir grup bir araya gelir ve etrafta dans ederdi ve bazı algler gibi aynı şeyi yapan başka deniz organizmaları olduğu ortaya çıktı. Bu yüzden bunun ilgi çekici olduğunu düşündük. Peki, çoğunluğu bir araya getirirseniz ne olur?”

Yeni çalışmalarında Fakhri ve meslektaşları binlerce denizyıldızı embriyosunu döllediler ve ardından bu hücrelerin derin olmayan kapların yüzeyinde yüzerken izlediler.

Fakhri, "Bir kapta binlerce embriyo var ve çok büyüyebilen bu kristal yapıyı oluşturmaya başlıyorlar. Biz buna kristal diyoruz, çünkü her embriyo grafendeki kristal yapıya çok benzeyen, tüm yapı boyunca tekrarlanan bir altıgen içinde altı komşu embriyo ile çevrilidir." 

Sallanan Kristaller

Araştırmacılar, embriyoların kristaller gibi bir araya gelmesini neyin tetiklediğini anlamak için önce tek bir embriyonun akış alanını veya suyun embriyo etrafında nasıl aktığını incelediler. Bunu yapmak için suya tek bir denizyıldızı embriyosu yerleştirdiler. Ardından karışıma çok daha küçük boncuklar eklediler ve su yüzeyinde embriyonun etrafında akarken boncukların görüntülerini aldılar.

Boncukların yönüne ve akışına bağlı olarak, araştırmacılar embriyonun etrafındaki akış alanını haritalayabildiler. Embriyonun yüzeyindeki kirpiklerin, embriyoyu belirli bir yönde döndürecek şekilde attığını ve embriyonun her iki tarafında daha sonra daha küçük boncukları çeken girdaplar oluşturduğunu buldular.

MIT'de araştırmacı olan Mietke, bu akış alanını tek bir embriyodan birçok embriyonun simülasyonuna dönüştürdü ve nasıl davranacaklarını görmek için simülasyonu çalıştırdı. Model, ekibin deneylerinde gözlemlediği aynı kristal yapıları üretti ve embriyoların kristalleşme davranışının büyük olasılıkla hidrodinamik etkileşimlerinin ve kiralitesinin bir sonucu olduğunu doğruladı.

Bilim insanları deneylerinde bir kez bir kristal yapı oluştuktan sonra bunun günlerce sürdüğünü ve bu süre zarfında kristal boyunca kendiliğinden dalgalanmaların yayılmaya başladığını gözlemlediler.

Araştırmacılar çalışmalarında, “Bu kristalin çok uzun bir süre boyunca döndüğünü ve sallandığını görebiliyorduk, bu kesinlikle beklenmedik bir şeydi. Bu dalgalanmaların hızla yok olmasını beklersiniz, çünkü su viskozdur ve bu salınımları azaltır. Bu bize sistemin bir çeşit tuhaf elastik davranışı olduğunu söyledi” açıklamasında bulundular.

Kendiliğinden uzun süreli dalgalanmalar birbirine kenetlenen dişliler gibi birbirine karşı dönen bireysel embriyolar arasındaki etkileşimlerin sonucu olabilir. Kristal oluşumunda dönen binlerce dişli ile birçok bireysel dönüş tüm yapı boyunca daha büyük, toplu bir hareket başlatabilir.

Ekip şimdi deniz kestanesi gibi diğer organizmaların benzer kristal davranış gösterip göstermediğini araştırıyor. Ayrıca, bu kendi kendine birleşen yapının robotik sistemlerde nasıl kopyalanabileceğini araştırıyorlar.

“Bu tasarım etkileşim ilkesiyle oynayabilir ve çevre üzerinde gerçekten çalışabilen robotik bir sürü gibi bir şey inşa edebilirsiniz.”

Makale: “Odd dynamics of living chiral crystals” by Tzer Han Tan, Alexander Mietke, Junang Li, Yuchao Chen, Hugh Higinbotham, Peter J. Foster, Shreyas Gokhale, Jörn Dunkel and Nikta Fakhri, 13 July 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04889-6