細菌外形對集體運動影響的實驗研究

《細菌外形對集體運動影響的實驗研究》是依託上海交通大學，由張何朋擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：細菌外形對集體運動影響的實驗研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張何朋
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

集體運動廣泛存在於各類生物系統中，比如巨觀尺度上的鳥、魚群，微觀尺度上的細菌菌落等。基於非平衡態統計物理的數值和理論研究為這一起源於生物系統的重要課題提供了基本圖像：多個自驅動個體通過短程相互作用形成長程有序的集體運動。然而這一理論圖像尚未在實驗上得到系統的定量檢驗，高質量實驗數據的缺失是該課題進一步發展的障礙。我們計畫在遊動細菌的系統中開展關於集體運動的實驗研究。細菌通過排斥體積與相鄰個體作用，而排斥體積作用由細菌的外形決定，因此通過改變外形可控制細菌間的作用而影響集體運動。按照此思路，我們將利用顯微成像和單細胞跟蹤技術測量不同外形細菌在不同密度下運動的個體分布、速度、取向的時間和空間關聯函式等物理量，以此量化細菌外形對集體運動的影響。本項目一方面將系統和定量的檢驗現有理論預言，深化對集體運動形成機制的理解；另一方面也將可能為工程套用中調控集體運動提供新思路。

結題摘要

本項目以運動細菌為焦點，關注自驅動系統中的力學和統計物理問題。在項目資助期間，我們已經建成了功能完備、手段多樣的生物和流體物理實驗室；在細菌運動力學機制、細菌集體運動等方面研究取得重要進展。我們的成果包括：（1）發現球形細菌表現出與桿狀細菌不同的集體運動，它們聚集在氣液界面，形成轉動的動態團簇；（2）發現桿狀細菌的動態團簇中漲落呈現出尺度無關的長程空間關聯；（3）揭示細菌鞭毛產生驅動的力學機制，找到產生最大驅動力的最佳化鞭毛外型，證明自然界中現存細菌鞭毛的外形接近於最佳化外形。項目負責人作為通訊作者已發表SCI論文5篇，包括Physical Review Letters 和 Proceedings of the National Academy of Sciences 各1篇。本項目的成果推動了對自驅動系統中相關問題的理解，為進一步研究奠定了基礎。