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神奇的涡旋:数亿细菌竟会“排兵布阵”

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    發表於 2024-3-16 15:05:13 |只看該作者 |倒序瀏覽

    ——科学家发现自增强流动性促进跨尺度有序空间结构生成

    3月14日凌晨,《自然》在线发表香港中文大学教授吴艺林团队的最新成果。研究人员发现细菌组成的微生物流体可自发产生稳定有序的“涡旋阵列”,这为理解生命系统中一些有序结构形成提供了新的、更简单的视角,也拓宽了人们对非平衡态物质的认识。


    涡旋阵列(实验数据图)。受访者供图

    生命系统中,从宏观尺度的多细胞有机体到亚微米尺度的细胞器,有序的空间结构十分普遍。有序空间结构可以区隔细胞质组分或分化后的细胞群体,在生命系统的代谢和发育过程中起着重要作用。

    “生命系统中细胞、细胞器的聚集有一定的结构。”吴艺林告诉《中国科学报》,“就像人们用各种材料修建房屋一样,很多细胞会组成复杂且有序的图案。”

    通常认为,生命系统形成有序空间结构需要复杂的机制。比如,通过细胞间的信号传递、调控,或受各种化学信号影响改变基因表达,分化成不同类型的细胞,并相互作用形成复杂结构。某些动物胚胎发育时,部分组织会一节节地形成,且每节间的距离基本相同,人们认为其中一定存在复杂的调控机制。


    涡旋阵列(示意图)。 受访者供图

    “一般认为这种有序结构(空间图案)通过多种化学物质的扩散和相互作用形成,但我们发现一种纯粹的力学机制,可以产生大尺度的规则图案。当然,生命系统中很多机制可形成各种复杂结构或图案,我们只是发现一种新的、不依赖化学信号的简单物理机制。”吴艺林补充说。

    两年前,该论文第一作者、香港中文大学研究员徐浩然在显微镜下观察细胞运动时,偶然看到一个“神秘现象”:致密的细菌活性物质能自发地组织成有序的快速旋转漩涡。每个漩涡由数万个运动细胞组成,这些介观尺度(即纳米和毫米尺度之间)的漩涡在厘米尺度空间中排成有明显晶格特征的“三角点阵”,其中的单个细胞也协调有序地旋转。

    “我们在实验中发现,有些漩涡阵列可达厘米尺度,而细菌通常只有微米大小。”吴艺林说,“这意味着,有上亿细菌参与运动,一起形成复杂的有序结构。”

    这一发现令人惊讶,吴艺林和徐浩然非常好奇:是什么因素导致漩涡的产生。

    此后,寻找漩涡背后的形成机制一直“折磨”着该团队。研究人员迟迟不能突破“猜测-建模-验证-推翻-再猜测-模拟-验证”的闭环。

    最终,团队通过单细胞跟踪和数值模拟表明,这种具大尺度有序的漩涡晶格点阵,源于高密度活性流体中个体表现的“自增强流动性”。

    “所谓‘自增强流动性’,可粗略地用鱼群来类比理解。”吴艺林解释说,就像无数小鱼密密麻麻聚在一起,它们各自独立又相互影响,鱼和鱼之间会产生相互作用,也会对周围的液体产生力,如果每条鱼行动一致,这些力叠加起来可能更利于鱼群运动。

    该研究的另一亮点是首次在实验中观测到,在没有外场引导或特定约束条件下,湍流能自发演化出稳定有序的空间结构。

    “也就是说,我们找到一种方法,能将湍流中那些随机产生又瞬间消失的不稳定漩涡稳定下来。”吴艺林说。

    在经典物理学中,湍流是座人们尚未走出的“迷宫”。其中湍流漩涡在什么条件下发生,如何在空间分布等问题仍存争议。有理论预测非平衡流体可以产生稳定的涡旋结构,但没有人能够证实。两位研究者不仅看到该现象,还弄清其发生条件,这让人们对非平衡流体的认识更加深入。

    杂志审稿人认为,迄今为止,没有哪个微生物体系能在这么大尺度上产生如此有序的涡旋结构,因此该发现非常有趣,也令人惊喜。


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    發表於 2024-3-16 16:58:57 |只看該作者
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