在鸡眼细胞中发现的新事物被称为“无序的超均匀性”

普林斯顿大学和圣路易斯华盛顿大学的研究人员报告说，鸡眼中细胞的异常排列构成了潜在的新物质状态的首次已知生物发生，这种新状态被称为“无序的超均匀性”，这种状态被证明具有独特的生理特性。特性。这些状态具有“隐藏顺序”，使它们能够像物质的晶体和液体状态一样工作。它们在大距离上表现出有序性，而在小距离上表现出无序性。此图描述了在鸡视网膜中五种类型的感光细胞（称为视锥细胞）的空间分布。（由圣路易斯华盛顿大学的Joseph Corbo和Timothy Lau提供）

研究人员已经在鸡眼的细胞中首次发现了一种潜在的新状态的生物发生状态，即所谓的“无序超均匀性”。

除了鸡蛋，汤和橡胶玩具之外，鸡肉最持久的遗产清单最终可能还包括先进的材料，例如自组织胶体或可以以水晶效率和液体柔韧性传输光的光学器件。

普林斯顿大学和华盛顿大学圣路易斯分校的研究人员称，鸡眼中细胞的异常排列构成了潜在的新状态的首次已知生物发生，该状态称为“无序的超均匀性”。研究人员在《物理评论》（Physical Review E）杂志上报告说，过去十年的研究表明，无序的超均匀材料在传输和控制光波方面具有独特的性能。

无序超均匀性状态的行为类似于物质的晶体和液态，在大距离上表现出有序性，在小距离上表现出无序性。像晶体一样，这些状态极大地抑制了在较大的空间距离上粒子密度的变化（如物质的单个颗粒一样），因此排列高度均匀。同时，无序的超均匀系统与液体相似，因为它们在所有方向上都具有相同的物理特性。研究人员报告说，综合起来，这些特性意味着可以控制超均匀的光学电路，光检测器和其他材料，使其对某些光波长敏感或不渗透。

普林斯顿大学化学教授，通讯作者萨尔瓦托·托夸托（Salvatore Torquato）解释说：“无序的超均匀材料具有隐藏的秩序。”正是Torquato与普林斯顿大学化学系高级科学家Frank Stillinger共同在2003年《 Physical Review E》上的一篇论文中首次发现了超均匀性。

“从那以后，我们发现这种物理系统具有奇异的物理特性，因此具有新颖的功能，” Torquato说。“我们对这些特殊的无序系统了解得越多，我们就发现它们确实应该被视为一种新的可区分的物质状态。”

研究人员研究了在白天活跃的鸡和大多数其他鸟类眼中被称为视锥细胞的光敏细胞。这些鸟有四种颜色的视锥细胞-紫色，蓝色，绿色和红色-以及一种用于检测光水平的视锥细胞，每种视锥细胞的大小都不同。视锥被包装到称为视网膜的单个上皮或组织层中。但是，研究人员报告说，它们并不是按照通常的方式排列的。

在许多生物的眼睛中，视觉细胞以明显的模式均匀分布，例如常见的昆虫六角形密实眼。在许多生物中，布置了不同类型的视锥细胞，以使它们不在同一类型的视锥细胞附近。但是，乍看之下，鸡眼似乎散布了一些没有特定顺序的视锥。

与鸡不同，视觉细胞在许多生物的眼睛中以明显的模式均匀分布。华盛顿大学的研究人员认为，鸡的特殊排列方式（左图）与视锥细胞如何包装到它们细小的，薄的视网膜中有关。普林斯顿大学的研究人员开发了一种计算机模拟模型，该模型模拟了鸡锥的最终排列（右）。彩色圆点代表鸡眼细胞的中心。它们被放大和着色以用于可视化目的。（由普林斯顿大学Salvatore Torquato提供）

共同通讯作者约瑟夫·科博（Joseph Corbo）实验室是圣路易斯华盛顿大学病理学与免疫学和遗传学的副教授，他研究了这种鸡不寻常的视觉布局是如何演变的。考虑到锥体如何填充到这么小的空间中，Corbo找上了Torquato，Torquato的小组研究了诸如颗粒之类的密集堆积物体的几何形状和动力学。

然后，Torquato与该论文的第一作者Yang Jiao一起工作，后者获得了博士学位。他于2010年从普林斯顿大学获得机械和航空工程学博士学位，现在是亚利桑那州立大学材料科学与工程系的助理教授。Torquato和Jiao开发了一种计算机模拟模型，该模型超越了标准包装算法，可以模拟鸡锥的最终排列，并让他们看到导致疯狂的根本方法。

事实证明，每种类型的圆锥体周围都有一个称为“排除区域”的区域，其他圆锥体无法进入该区域。与圆锥体不同，相同类型的圆锥体相互遮挡的程度更大，并且这种不同的排除方式会导致截然不同的圆锥体图案。每种圆锥体的图案都覆盖了另一个圆锥体的图案，从而使编排以有序但无序的方式缠绕在一起-一种均匀的混乱。因此，尽管看起来圆锥体是不规则放置的，但是它们的分布实际上在很长的距离上是均匀的。Torquato说，那是无序的高度均匀性。

Torquato说：“由于锥的大小不同，因此系统进入晶态或有序状态并不容易。”“找到最佳解决方案（这是典型的有序安排）使该系统感到沮丧。虽然图案必须无序，但也必须尽可能均匀。因此，无序的超均匀性是一个很好的解决方案。”

模拟显示了鸡锥的基本模式。虽然这种布置是一种堆积问题，但它在每种圆锥周围都增加了一个“排除区域”，其他圆锥无法进入。与圆锥体不同，相同类型的圆锥体相互遮挡的程度更大，并且这种不同的排除方式会导致截然不同的圆锥体图案。每种圆锥体的图案都覆盖另一个圆锥体的图案。因此，尽管看起来圆锥体是不规则放置的，但是它们的分布实际上在很长的距离上是均匀的。在上图中，两个单元格（左）看起来是随机放置的。但是，黑色单元（中心）和红色单元（右）的排斥区域都推向附近的单元并给出单元排列结构。在没有其他电池类型的情况下，黑电池会掉落成三角形。（由普林斯顿大学Salvatore Torquato提供）

研究人员的发现增加了一个新的维度，称为多重超均匀性。这意味着构成排列的元素本身是超均匀的。尽管同类型的圆锥体似乎是不连通的，但实际上它们实际上是由排除区域巧妙地链接在一起的，这些区域用于自我组织成图案。Torquato说，多重超均匀性对于禽类系统均匀采样入射光至关重要。他和他的合著者推测，这种行为可以为开发可自组装成无序的超均匀状态的材料提供基础。

“您还可以将这五个不同视锥中的每一个视作超均匀的，” Torquato说。“如果我将带有这些视锥细胞的禽类系统给您并去除了红色，它仍然是非常均匀的。现在，让我们消除蓝色-剩下的仍然是超均匀的。在任何物理或生物系统中都从未见过这种情况。如果您在看到这些数据之前要求我重新创建该安排，我可能最初会说很难做到。”

宾夕法尼亚大学软物质复杂复合体实验室（COMPASS）的研究人员Remi Dreyfus说，在生物系统中发现高度均匀性可能意味着该状态比以前认为的更为普遍。法国国家科学研究中心和法国化学公司索尔维。以前，只有在特殊的物理系统（例如液氦，简单的等离子体和密堆积的颗粒）中才观察到混乱的超均匀性。

熟悉这项研究但没有参与其中的Dreyfus说：“从理论基础上开始，这种超均匀性的想法看起来非常笼统，我们可以在很多地方找到它们。”“我认为，越来越多的人会回顾他们的数据并指出是否存在超均匀性。他们会发现这种超均匀性在许多物理和生物系统中更为普遍。”

Dreyfus说，这些发现还为研究人员提供了一个详细的自然模型，该模型可能有助于构建超均匀的系统和技术。他说：“自然界已经找到制造多重不均匀性的方法。”“现在，如果您愿意的话，您可以从自然界发现的线索中创建多超均匀性模式。”

从进化论的角度来看，研究人员的结果表明，自然界找到了解决这些圆锥体挤入紧凑型禽眼问题的独特解决方法，Corbo说。在大多数其他动物的眼睛中，有序的细胞排列模式被认为是“最佳”排列，任何减少的排列都会导致视力受损。然而，科尔博说，在这里研究过的鸟类（包括鸡）的视力无可挑剔。

“这些发现很重要，因为它们表明禽类中感光细胞的排列尽管不是完全规则的，但实际上是规则的，因为它们可以受到上皮细胞的堆积限制，” Corbo说。

他说：“这一结果表明，在这些限制条件下，演进已将系统驱动到了可能的'最佳'布置。”“我们仍然不知道这种美丽而高度有序的鸟类排列所基于的细胞和分子机制。因此，未来的研究方向将包括努力解读这些模式在胚胎中如何发展。”

2月24日，《物理评论E》上发表了论文“禽类感光体模式代表了对多尺度包装问题的无序超均匀解决方案”。这项工作得到了美国国家科学基金会（美国国家癌症基金会）的资助（资助号DMS-1211087）研究所（授权号：U54CA143803）；美国国立卫生研究院EY018826，HG006346和HG006790）；人类前沿科学计划；德国研究基金会（DFG）；以及西蒙斯基金会（No. 231015）。

出版物：Yang Jiao等人，“禽类感光体模式代表了针对多尺度包装问题的无序超均匀解决方案”，2014年，物理。版本E 89，022721; DOI：10.1103 / PhysRevE.89.022721

研究报告的PDF副本：禽类光感受器模式代表多尺度堆积问题的无序超均匀解。

图片：约瑟夫·科博（Joseph Corbo）和蒂莫西·刘（Timothy Lau），圣路易斯华盛顿大学；普林斯顿大学Salvatore Torquato