神奇的涡旋：数亿细菌竟会“排兵布阵”

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——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。