西安新聞網(wǎng)訊 近日，西北大學(xué)物理學(xué)院經(jīng)光銀教授與合作者圍繞微游泳體與流場(chǎng)的相互作用，從物理視角通過(guò)實(shí)驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算、理論定義了具有左手螺旋鞭毛主導(dǎo)的游泳流體力學(xué)效應(yīng)，構(gòu)建了游動(dòng)細(xì)菌的偏航全景圖，解決了如何精確描述基本生物體準(zhǔn)確軌跡這一長(zhǎng)期困擾生物物理領(lǐng)域的難題。
研究成果7月10日發(fā)表在Science子刊Science Advances。（小標(biāo)）細(xì)菌是天然“自驅(qū)動(dòng)粒子” 研究其運(yùn)動(dòng)有重大應(yīng)用價(jià)值首先，什么是自驅(qū)動(dòng)物質(zhì)？經(jīng)光銀教授表示，原來(lái)，日常生活中，無(wú)驅(qū)動(dòng)力的物體只能隨波逐流，例如，皮球在流動(dòng)水面上跟隨流水，漂流而下的細(xì)長(zhǎng)竹筏盡管旋轉(zhuǎn)但質(zhì)心仍順流而下。從物理角度來(lái)看，這些物體的運(yùn)動(dòng)具有一個(gè)共同特征，即物體質(zhì)心順著流體的流線(xiàn)前行，而不能橫向跨越流線(xiàn)，從而制約這些“被動(dòng)”物體的精準(zhǔn)遞送，尤其在小尺度下定點(diǎn)輸運(yùn)是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。然而如果這些物體具有自驅(qū)動(dòng)、自響應(yīng)及自適應(yīng)的“自我意識(shí)”，則必將改變被動(dòng)式的輸運(yùn)行為，我們將這類(lèi)物體稱(chēng)為自驅(qū)動(dòng)物質(zhì)。
近20年來(lái)，活性生物物理開(kāi)始成為物理學(xué)新興前沿研究領(lǐng)域，這類(lèi)系統(tǒng)顯著區(qū)別常規(guī)平衡態(tài)物理，系統(tǒng)在微觀單元上有能量輸入而被推向遠(yuǎn)離平衡態(tài)，其中微單元體具有自驅(qū)動(dòng)、自適應(yīng)，且可在無(wú)序中生有序并產(chǎn)生集群行為。受到應(yīng)用需求刺激，在小尺度（如毫米以下）定位導(dǎo)航、精準(zhǔn)外科手術(shù)、藥物釋放、微尺度下物質(zhì)輸送、微納機(jī)器人研制等，對(duì)運(yùn)動(dòng)單元在無(wú)序復(fù)雜微環(huán)境介質(zhì)中定向運(yùn)動(dòng)與導(dǎo)航具有重大應(yīng)用價(jià)值。
經(jīng)光銀教授表示，細(xì)菌作為一種天然“自驅(qū)動(dòng)粒子”，其運(yùn)動(dòng)支撐著許多微觀與宏觀生命活動(dòng)，研究細(xì)菌運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)細(xì)胞、細(xì)菌等在微管道中分離與分類(lèi)、設(shè)計(jì)功能性生物馬達(dá)、微機(jī)器人、以及防治微生物污染、細(xì)菌感染等提供科學(xué)依據(jù)。由于細(xì)菌作為一類(lèi)微游泳體，微米尺度的身材使得布朗運(yùn)動(dòng)主導(dǎo)其游動(dòng)的隨機(jī)取向。流場(chǎng)可以產(chǎn)生應(yīng)力作用于細(xì)菌整個(gè)表面，我們不禁好奇，做游泳運(yùn)動(dòng)的細(xì)菌是否在流速梯度場(chǎng)中展示出特殊的游動(dòng)行為，是否能逃脫“隨波逐流”的命運(yùn)，而采取“智慧式”的響應(yīng)與自適應(yīng)行為？（小標(biāo)）團(tuán)隊(duì)突破多項(xiàng)細(xì)菌驅(qū)流動(dòng)力學(xué)研究
經(jīng)光銀教授介紹，2012年R. Stocker在MIT的課題組首次報(bào)道了具有手性細(xì)菌在剪切流中出現(xiàn)橫向運(yùn)動(dòng)，然而這種橫向“過(guò)河”運(yùn)動(dòng)與流場(chǎng)、布朗熱運(yùn)動(dòng)、活性噪聲、細(xì)菌取向等具有何種本質(zhì)的物理機(jī)制都尚未明確。基于此，我們構(gòu)建了一個(gè)精細(xì)的細(xì)菌顯微跟蹤實(shí)驗(yàn)，結(jié)合數(shù)值模擬，建立了精確流體物理模型，揭示了這種手性細(xì)菌驅(qū)流性的物理規(guī)律。實(shí)驗(yàn)上，通過(guò)高速顯微精確成像，團(tuán)隊(duì)測(cè)量了微流管道中細(xì)菌軌跡、速度大小與取向，獲得了大量細(xì)菌運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，管道中流量越大，細(xì)菌越容易做橫向游動(dòng)；越接近管道壁面（高剪切率）橫向運(yùn)動(dòng)越顯著。
如何確立鞭毛手性引起的細(xì)菌方向矢量變化，團(tuán)隊(duì)?wèi){借多年的研究經(jīng)驗(yàn)與物理直覺(jué)推測(cè)出了此作用項(xiàng)，從而得到了實(shí)驗(yàn)、模擬、理論驚人的一致結(jié)果，建立了手性引起細(xì)菌運(yùn)動(dòng)驅(qū)流普適方程與規(guī)律。此外，團(tuán)隊(duì)還有多個(gè)相關(guān)方面的研究進(jìn)展。經(jīng)光銀教授作為論文第一作者，西北大學(xué)為第一完成單位，合作者包括巴黎物理化學(xué)學(xué)院（ESPCI）的Eric Clément、Anke Lindner教授和維也納技術(shù)大學(xué)的Andreas Z?ttl博士。該項(xiàng)工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目資助。（文/西安報(bào)業(yè)全媒體記者 張瀟）
