对称性破坏是活的和合成的活性物质的标志。从多细胞生物的不对称生长到游泳细胞和自推进胶体的连贯运动，活性系统形成了具有不寻常材料特性的自组织结构，这种结构只能在远离热平衡的地方出现。尽管在过去十年中取得了重大的实验和理论进展，但我们才刚刚开始了解多细胞和多有机体系统的复杂集体行为是如何从其个体成分的破坏对称性和非平衡动力学中产生的。一类特别有趣的非平衡对称破坏现象包括最近在胶体和细菌系统中观察到的活性结晶过程。与在降低温度时形成并且通常需要吸引力的传统被动晶体不同，主动结晶产生于粒子的自推进，甚至可以在纯粹排斥的稀释系统中发生。一个长期存在的、相关的、未回答的问题是，多细胞生物群是否可以自我组织成晶体有序的状态，如果可以，它们可能会表现出什么新的物质特性。鉴于此，麻省理工学院Nikta Fakhri等人报道了一种不同类型的晶体的自组装，这种晶体由漂浮在水面上的海星胚胎组成，可以被认为是远离热力学平衡的“原子”。这种活晶体的行为表现出一种称为奇异弹性（odd elasticity）的机械非互易性，在平衡中是被禁止的。
什么是奇异弹性？在处于平衡状态的普通晶体（想象一下金属，甚至食盐）中，原子之间的相互作用会产生我们习惯的机械性能：如果你推动一种材料，它会直接向后推。然而，不平衡的奇异晶体可能与大规模的机械后果产生非互惠的相互作用：对机械刺激的“奇怪”反应发生，这是经典力学所禁止的，并且打破了互惠的黄金法则。例如，在这些奇怪的材料中，压缩和旋转不可逆地耦合：压缩材料会导致旋转应力，但旋转不会导致压缩应力。尽管它们的名字，这些奇怪的耦合并不是那么奇怪：当平衡的约束被解除时，它们通常是预期的。波兰科学家 Stanislaw Ulam 曾经说过：“不要问物理学能为生物学做些什么，问问生物学可以为物理学做些什么。”确实，生命系统为研究非平衡物理学的思想提供了有趣的（如果混乱的话）平台。该研究的实验延续了将生物系统提炼成其基本组成部分的富有成效的趋势，以阐明物质在活动时所具有的基本特性。但这样的实验也给生物学家提出了问题。通过了解这些纯化的仿生系统的基本物理特性，可以深入了解它们来自的体内生物系统。细胞骨架（赋予细胞结构的生物聚合物的网状结构）可以被描述为一个活跃的向列系统。因此，研究人员使用这些聚合物的纯化混合物来研究活性向列相的物理特性，其定量细节水平在细胞内是无法实现的。但对所形成模式的洞察力并不仅限于纯化成分的物理特性。相反，这些想法开始反馈到它们产生的生物学背景中。例如，一个活跃的向列框架揭示了向列排序中的缺陷可以帮助协调生物体的发育。同样，该研究对生物系统中奇异弹性的识别引发了两个更广泛的问题。首先，生物中的奇怪行为有多普遍？其次，它们是否具有某种生物学功能？该团队的实验证明了奇异性和手性之间的基本联系：奇异弹性必然意味着材料可以区分为右手或左手。在该的实验中，手性决定了海星胚胎的旋转方向。更普遍地说，手性存在于许多生物系统中，因此这些发现暗示了奇怪行为可能也很常见的想法。这是否意味着手性的作用尚未被揭示？相反，从设计的角度来看，该研究开发的平台是在有生命的物质（能够感知、计算和响应外部刺激的材料）的道路上迈出的一步。据今年报道，这种材料可能会通过合成手段模仿有生命的行为，例如在旋转胶体系统中实现奇怪的弹性。或者，它们可能直接包含生物元素，就像海星胚胎晶体中的情况一样。后一种方法的优点是系统中内置了一个内部能量储存器：本文证明的奇异弹性在没有外部输入的情况下持续数小时，仅当胚胎生长使晶体破裂时才停止。奇怪的材料在什么意义上是有生命的？该研究的系统会在胚胎的位置产生自发的振荡波，这些波会在晶体的整个生命周期中持续存在。对奇异材料的理论预测是，这种波可以响应外部压缩而诱发，或者更普遍地说，表现出奇异行为的系统将在特定刺激下表现出振荡运动。这种动态状态可以构成材料本身的机械编程和计算的基础；例如，通过在不同的动态状态之间切换以响应不同的刺激。综上，该研究位于材料设计和基础物理学的纽带：他们的系统让我们得以一窥如何打破相互作用的黄金法则，导致活性固体中有趣的涌现行为。虽然奇异弹性是活晶体的一个标志，但可能还有很多其他的。我们还没有理解使用活性成分创造的设计师材料的更广泛原则。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
