無論物體的大小，物種或環(huán)境如何，自然界中都存在某些普遍的模式。例如，在樹枝和血管中看到的分枝分形，或者在軟體動物和卷心菜中出現(xiàn)令人驚訝的類似螺旋?，F(xiàn)在，麻省理工學院和劍橋大學的科學家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了細菌和電子集體運動中一種意想不到的共同模式：當數(shù)十億的細菌流過微流體晶格時，它們以與磁性原子核周圍的電子軌道相似的模式同步和游動。材料。

研究人員發(fā)現(xiàn)，通過調整微流體晶格的某些尺寸，它們能夠引導數(shù)十億微生物在同一方向上對齊和游動，就像電子在產生磁場時沿相同方向循環(huán)一樣。隨著晶格的輕微變化，細菌群以相反的方向流動，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)了一種適用于細菌和電子運動的數(shù)學模型。該模型源于一般的晶格場理論，該理論通常用于描述磁性和電子材料中電子的量子行為。研究人員將這個復雜的模型簡化為一個更簡單的“教科書”模型，該模型預測相變或流動方向的變化應該隨著晶格尺寸的某些變化而發(fā)生 - 團隊在實驗過程中觀察到的過渡。菌。

“我們看到這種普遍性是非常令人驚訝的，”麻省理工學院應用數(shù)學助理教授JörnDunkel說。“真正的好處是，你在這里有一個生命系統(tǒng)，它顯示了人們認為在量子系統(tǒng)中也會發(fā)生的所有這些行為。”Dunkel和他在劍橋大學的同事 - 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)表了他們的研究結果。

引導細菌表面

Dunkel首先開始研究由Goldstein領導的劍橋大學小組作為博士后的細菌游泳模式。研究人員正在探索如何操縱細菌流，作為一種方法來防止生物膜密集的微生物粘液層，可以接管淋浴間，堵塞過濾系統(tǒng)，并堅持船體。

“我們一般對像細菌這樣的微生物如何單獨和共同地與表面相互作用感興趣，以及表面如何引導微生物，”Dunkel說。在最初的實驗中，研究人員將細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，微生物傾向于相對無序地游泳。在更小的井中，大約70微米寬，數(shù)千個細菌開始以有序的方式運行，長時間以螺旋形式在井內以相同方向游動。

與當前相反

在這項新研究中，研究人員觀察到細菌流過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個孔組成，每個孔的尺寸為70微米，并通過一個小通道連接到它的鄰居。他們將細菌注入陣列并觀察細菌在每個孔內流動的方向。

Dunkel和他的同事們發(fā)現(xiàn)他們能夠通過改變一個關鍵尺寸來操縱細菌的流動：連接通道的直徑，或者他們所謂的間隙尺寸。如果間隙太小，則一個井中的細菌將在與相鄰井中的鄰居相反的方向上旋轉，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，其中每個井中的細菌同步，沿著相同的方向流動，就像磁場中的對齊電子一樣。

研究人員發(fā)現(xiàn)，更大的間隙尺寸可以讓更多的細菌從一口井流到鄰近的井中。細菌在孔之間的這種運動在每個孔的邊緣產生“邊緣電流”或細菌流，這反過來又導致井內的細菌流過它?？傮w結果是每個孔內的大多數(shù)細菌以相同的方向流動，與邊緣電流相反。

建模集體運動

為了觀察細菌和電子的類似運動是否在數(shù)學上產生，Dunkel和他的同事研究了晶格場理論，該模型通常用于描述量子系統(tǒng)中電子的行為。他們將這個更復雜的模型簡化為Ising模型 - 一個“教科書”模型，用于描述二維方形晶格內的電子自旋，類似于研究人員制造的微流體晶格。

將Ising模型應用于它們的物理晶格，研究人員發(fā)現(xiàn)該模型預測了一個參數(shù)變化的相變，在這種情況下，這個參數(shù)變成了間隙尺寸。Dunkel和他的同事們發(fā)現(xiàn)模型預測與他們在正方形格子中的實驗相匹配。

該小組還研究了流經(jīng)三角形格子的細菌 - 三個相互連接的井的重復模式 - 并且發(fā)現(xiàn)理論預期與觀察結果相符。

Dunkel說，他希望在更隨機的安排和環(huán)境中探索細菌流動。

“在像土壤或組織這樣的真實多孔介質中，你沒有這種非常均勻的細菌分布，”Dunkel說。“那么細菌的集體運動如何受到培養(yǎng)基隨機性的控制?這是下一個更大的目標。”