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您的位置:首頁>儀器儀表資訊>實驗室動態>細菌集群運動的涌現動力學研究獲進展

細菌集群運動的涌現動力學研究獲進展

發布時間:2021/6/10 17:04:48編輯:Ma Liang
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  生物體在高密度下會發生集群運動,與單個生物體的運動狀態有較大不同。這種運動在局域發生對稱性破缺,在比個體大幾個數量級的尺度上具有長程關聯,并對所在體系的物理性質產生改變。例如,高濃度的細胞微管產生液晶取向序并伴隨拓撲缺陷的產生與湮滅;而細菌會產生極向序,在低雷諾數的流體中產生湍流(圖1),并讓流體的等效粘滯系數降為零,即產生“超流”。因此,生物系統中集體運動的研究對于理解許多生物過程十分重要,是統計物理的熱點研究前沿,并為仿生學和材料科學的發展提供新思路。
  由于生物體系比較復雜,引起集群運動的可能因素較多。在一個均勻的環境中,形成細菌湍流的物理因素有細菌游動引起的長程流體力學相互作用和細菌無法重疊產生的短程空間位阻相互作用。Saintillan與Shelley和Subramanian與Koch的活性物質動力學理論均表明,流體力學相互作用導致活性流體的失穩從而引起細菌集體運動【Phys. Rev. Lett. 100, 178103 (2008), J. Fluid Mech. 632, 359 (2009)】,而不考慮流體力學相互作用的計算機模擬也可以發現細菌湍流態【J. Stat. Mech. 2010, P04019 (2010)】。之前實驗工作多研究細菌在瓊脂板表面準二維體系中的集群運動,近期有結果表明細菌間的位阻作用起主導作用【PNAS 116, 777 (2019)】。而三維流體中的細菌較難識別追蹤,使實驗研究面臨挑戰。
  中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心SM4組特聘研究員彭毅與美國明尼蘇達大學博士研究生劉政陽、教授程翔合作,利用幾種經過基因編輯的大腸桿菌菌株定量調節細菌濃度,游動速度和活性細菌比例,實驗測得細菌運動在三維自由空間中的相圖,并建立平均場唯象模型。實驗結果與活性物質動力學模型定量吻合,且不需要額外的擬合參數,也與平均場唯象模型高度吻合,這說明僅有流體力學相互作用可以定量預測相圖。加入失活細菌會增加位阻作用但減弱流體力學作用。研究發現,向活性湍流中加入失活細菌會阻礙集體運動的形成,這定性地說明流體力學相互作用起主導作用。
  此外,該研究利用光控大腸桿菌改變細菌速度,觸發細菌從無序態變為湍流態,實時觀察湍流的涌現過程。單個細菌速度在幾秒內即可響應光強變化,但高濃度的細菌需要更長的孵化時間才能變為穩定的新相。實驗發現兩種相變路徑:在相變點附近,在小尺度出現一些高動能的有序流,這些有序流變大變多,整個過程中流體序參量和能量同時增長;在遠離相變點處,流場先變得有序,而動能隨后慢慢升高,最終形成高能量的有序流。
  近日,相關研究成果發表在Science Advances上,彭毅為論文第一作者,程翔為論文通訊作者。研究工作得到物理所啟動經費等的支持。
 

微信號:ayiwangapp17

(來源: 中國科學院科技產業網 )

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