無(wú)論物體的大小，物種或環(huán)境如何，自然界中都存在某些普遍的模式。例如，在樹(shù)枝和血管中看到的分枝分形，或者在軟體動(dòng)物和卷心菜中出現(xiàn)令人驚訝的類似螺旋。現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院和劍橋大學(xué)的科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌和電子集體運(yùn)動(dòng)中一種意想不到的共同模式：當(dāng)數(shù)十億的細(xì)菌流過(guò)微流體晶格時(shí)，它們以與磁性原子核周?chē)碾娮榆壍老嗨频哪Ｊ酵胶陀蝿?dòng)。材料。

研究人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)整微流體晶格的某些尺寸，它們能夠引導(dǎo)數(shù)十億微生物在同一方向上對(duì)齊和游動(dòng)，就像電子在產(chǎn)生磁場(chǎng)時(shí)沿相同方向循環(huán)一樣。隨著晶格的輕微變化，細(xì)菌群以相反的方向流動(dòng)，類似于非磁性材料中的電子。

令人驚訝的是，研究人員還發(fā)現(xiàn)了一種適用于細(xì)菌和電子運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。該模型源于一般的晶格場(chǎng)理論，該理論通常用于描述磁性和電子材料中電子的量子行為。研究人員將這個(gè)復(fù)雜的模型簡(jiǎn)化為一個(gè)更簡(jiǎn)單的“教科書(shū)”模型，該模型預(yù)測(cè)相變或流動(dòng)方向的變化應(yīng)該隨著晶格尺寸的某些變化而發(fā)生 - 團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察到的過(guò)渡。菌。

“我們看到這種普遍性是非常令人驚訝的，”麻省理工學(xué)院應(yīng)用數(shù)學(xué)助理教授JörnDunkel說(shuō)。“真正的好處是，你在這里有一個(gè)生命系統(tǒng)，它顯示了人們認(rèn)為在量子系統(tǒng)中也會(huì)發(fā)生的所有這些行為。”Dunkel和他在劍橋大學(xué)的同事 - 雨果威蘭德，弗朗西斯伍德豪斯和雷蒙德戈德斯坦'83 - 昨天在自然物理雜志上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。

引導(dǎo)細(xì)菌表面

Dunkel首先開(kāi)始研究由Goldstein領(lǐng)導(dǎo)的劍橋大學(xué)小組作為博士后的細(xì)菌游泳模式。研究人員正在探索如何操縱細(xì)菌流，作為一種方法來(lái)防止生物膜密集的微生物粘液層，可以接管淋浴間，堵塞過(guò)濾系統(tǒng)，并堅(jiān)持船體。

“我們一般對(duì)像細(xì)菌這樣的微生物如何單獨(dú)和共同地與表面相互作用感興趣，以及表面如何引導(dǎo)微生物，”Dunkel說(shuō)。在最初的實(shí)驗(yàn)中，研究人員將細(xì)菌放入逐漸變小的水池或水井中，觀察它們的游泳模式。在較大的井中，微生物傾向于相對(duì)無(wú)序地游泳。在更小的井中，大約70微米寬，數(shù)千個(gè)細(xì)菌開(kāi)始以有序的方式運(yùn)行，長(zhǎng)時(shí)間以螺旋形式在井內(nèi)以相同方向游動(dòng)。

與當(dāng)前相反

在這項(xiàng)新研究中，研究人員觀察到細(xì)菌流過(guò)這些小井的相互連接的陣列。由透明的橡膠狀聚合物制成，晶格由100個(gè)孔組成，每個(gè)孔的尺寸為70微米，并通過(guò)一個(gè)小通道連接到它的鄰居。他們將細(xì)菌注入陣列并觀察細(xì)菌在每個(gè)孔內(nèi)流動(dòng)的方向。

Dunkel和他的同事們發(fā)現(xiàn)他們能夠通過(guò)改變一個(gè)關(guān)鍵尺寸來(lái)操縱細(xì)菌的流動(dòng)：連接通道的直徑，或者他們所謂的間隙尺寸。如果間隙太小，則一個(gè)井中的細(xì)菌將在與相鄰井中的鄰居相反的方向上旋轉(zhuǎn)，就像非磁性材料中的電子交替循環(huán)一樣。然而，如果間隙尺寸為8微米或更大，研究人員觀察到相變，其中每個(gè)井中的細(xì)菌同步，沿著相同的方向流動(dòng)，就像磁場(chǎng)中的對(duì)齊電子一樣。

研究人員發(fā)現(xiàn)，更大的間隙尺寸可以讓更多的細(xì)菌從一口井流到鄰近的井中。細(xì)菌在孔之間的這種運(yùn)動(dòng)在每個(gè)孔的邊緣產(chǎn)生“邊緣電流”或細(xì)菌流，這反過(guò)來(lái)又導(dǎo)致井內(nèi)的細(xì)菌流過(guò)它?？傮w結(jié)果是每個(gè)孔內(nèi)的大多數(shù)細(xì)菌以相同的方向流動(dòng)，與邊緣電流相反。

建模集體運(yùn)動(dòng)

為了觀察細(xì)菌和電子的類似運(yùn)動(dòng)是否在數(shù)學(xué)上產(chǎn)生，Dunkel和他的同事研究了晶格場(chǎng)理論，該模型通常用于描述量子系統(tǒng)中電子的行為。他們將這個(gè)更復(fù)雜的模型簡(jiǎn)化為Ising模型 - 一個(gè)“教科書(shū)”模型，用于描述二維方形晶格內(nèi)的電子自旋，類似于研究人員制造的微流體晶格。

將Ising模型應(yīng)用于它們的物理晶格，研究人員發(fā)現(xiàn)該模型預(yù)測(cè)了一個(gè)參數(shù)變化的相變，在這種情況下，這個(gè)參數(shù)變成了間隙尺寸。Dunkel和他的同事們發(fā)現(xiàn)模型預(yù)測(cè)與他們?cè)谡叫胃褡又械膶?shí)驗(yàn)相匹配。

該小組還研究了流經(jīng)三角形格子的細(xì)菌 - 三個(gè)相互連接的井的重復(fù)模式 - 并且發(fā)現(xiàn)理論預(yù)期與觀察結(jié)果相符。

Dunkel說(shuō)，他希望在更隨機(jī)的安排和環(huán)境中探索細(xì)菌流動(dòng)。

“在像土壤或組織這樣的真實(shí)多孔介質(zhì)中，你沒(méi)有這種非常均勻的細(xì)菌分布，”Dunkel說(shuō)。“那么細(xì)菌的集體運(yùn)動(dòng)如何受到培養(yǎng)基隨機(jī)性的控制?這是下一個(gè)更大的目標(biāo)。”