旋轉(zhuǎn)活細菌的新星般爆炸解釋
當以一定的速度旋轉(zhuǎn)時,粘性液體中的活細菌懸浮液不會像預(yù)期的那樣起作用,現(xiàn)在一組研究人員知道為什么當旋轉(zhuǎn)停止時細菌聚集似乎會爆炸。
賓夕法尼亞州立大學生物醫(yī)學工程,化學和數(shù)學哈克教授,Igor Aronson說:“我們觀察了活性物質(zhì) - 活細菌或人工微動物的聚集和操縱- 以及細菌液滴旋轉(zhuǎn)時它們周圍的耗盡區(qū)域。”“我們試圖了解耗盡環(huán)是如何形成的,但發(fā)現(xiàn)在更高的速度下,當旋轉(zhuǎn)停止時,聚集的細菌像新星一樣爆炸。”
研究人員在載玻片上放置了一個含有粘性液體和細菌混合物的液滴,并在液滴上滴下一小粒鎳。然后翻轉(zhuǎn)載玻片,顆粒沉降到液滴的底部。由四個線圈產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場使粒子旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致細菌在旋轉(zhuǎn)的鎳顆粒周圍和下方聚集在一起。它還在細菌周圍形成了耗盡環(huán),幾乎沒有細菌被發(fā)現(xiàn)??梢钥吹叫D(zhuǎn)的細菌簇和耗盡環(huán)。
以前的研究使用的液體含有較少的細菌,并且磁鐵的旋轉(zhuǎn)速度僅為2到20赫茲。為了研究耗盡環(huán),研究人員使用了100倍以上的細菌并將磁體旋轉(zhuǎn)到100到400赫茲。研究人員在最近一期自然通訊雜志上報告說,具有這些新參數(shù)的系統(tǒng)表現(xiàn)出異常和意想不到的行為。這種行為僅見于活性物質(zhì) - 活細菌或其合成類似物。
這種行為雖然本身很有趣,但可能對生物膜容易形成的環(huán)境中的旋轉(zhuǎn)設(shè)備產(chǎn)生影響。“我們經(jīng)常認為,如果某些東西旋轉(zhuǎn)得非???,就不會有細菌膜,因為細菌無法沉淀,”Aronson說。“但事實并非如此。旋轉(zhuǎn)部件的這種細菌增生可能會更糟。”
這種現(xiàn)象的另一個可能的含義可能是從懸浮液中提取少量細菌的新診斷技術(shù)。
通過實驗和建模,研究人員發(fā)現(xiàn),當旋轉(zhuǎn)的鎳顆粒導(dǎo)致細菌聚集到足夠高的密度時,其他事情也會發(fā)生,導(dǎo)致紡紗停止時出現(xiàn)爆炸。
“我們做了一個分析,發(fā)現(xiàn)如果吸積盤是完美的圓形,它會在旋轉(zhuǎn)停止時擴大,”Aronson說。“但由于它并不完美,不完美的區(qū)域會更快地傳播,并且更快地從中心移開。這使得細菌團塊不穩(wěn)定,并且似乎會爆炸。”
當細菌旋轉(zhuǎn)時,它們會變得有序,并排成平行的水流。雖然在俯視看似密集的細菌盤時,流體運動本身更復(fù)雜。它在赤道和兩極流出。因為引起旋轉(zhuǎn)的鎳顆粒停留在作為屏障的液滴的底部,并且細菌盤在液滴表面附近旋轉(zhuǎn),形成停滯區(qū)。一旦旋轉(zhuǎn)停止,停滯區(qū)消失并且盤表面的缺陷導(dǎo)致細菌快速,不均勻地移動遠離旋轉(zhuǎn)原點。
研究人員使用數(shù)學模型和各種實驗標記來觀察細菌的行為,包括斷層掃描和花期。該模型與實驗數(shù)據(jù)一致。
“這些細菌的行為看起來就像一顆恒星的爆炸,”阿隆森說。“當然,當超新星爆炸時,物理學是非常不同的。”
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