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香港中文大學(xué)物理系的生命物質(zhì)物理實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)微生物流體可以自發(fā)產(chǎn)生穩(wěn)定有序的渦旋陣列。這一發(fā)現(xiàn)為理解生命系統(tǒng)和非平衡態(tài)物質(zhì)中大尺度有序結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生提供了一種力學(xué)機(jī)制。北京時(shí)間2024年3月14日，研究在線發(fā)表于《自然》。

香港中文大學(xué)物理系博士后研究員徐浩然和合作導(dǎo)師吳藝林教授為論文作者。

《自然》：香港中文大學(xué)吳藝林/徐浩然發(fā)現(xiàn)生命物質(zhì)自發(fā)產(chǎn)生有序的大尺度渦旋陣列

該研究發(fā)現(xiàn)的有序渦旋結(jié)構(gòu)由湍流演化而成。湍流是流體混亂無(wú)序的運(yùn)動(dòng)，在自然界中普遍存在。除了人們熟悉的發(fā)生在江河與空氣中的湍流，冷原子組成的量子流體、活細(xì)胞組成的生物流體、甚至星際物質(zhì)都有湍流現(xiàn)象。湍流的一個(gè)重要特征是隨機(jī)形成無(wú)序的渦旋結(jié)構(gòu)。在該研究中，作者發(fā)現(xiàn)，由活細(xì)菌組成的生命物質(zhì)流體（這是一類典型的非平衡態(tài)物質(zhì)或者所謂“活性”物質(zhì)）能自發(fā)地從湍流中演化出穩(wěn)定有序的渦旋陣列，每個(gè)漩渦由約數(shù)萬(wàn)個(gè)運(yùn)動(dòng)細(xì)胞組成。這些渦旋在厘米尺度的空間中排列成具有明顯晶格特征的三角點(diǎn)陣，而渦旋中的單個(gè)細(xì)胞以協(xié)調(diào)有序的方式旋轉(zhuǎn)。單細(xì)胞跟蹤和數(shù)值模擬表明，這種具有跨尺度有序性的渦旋陣列源于單個(gè)細(xì)胞的表觀移動(dòng)速度隨著附近細(xì)胞集體運(yùn)動(dòng)的有序程度而增加。作者稱這一機(jī)制為 “自增強(qiáng)流動(dòng)性”。該工作首次在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到活性物質(zhì)的湍流能夠自發(fā)地演化出穩(wěn)定有序的渦旋結(jié)構(gòu)，并為理解生命系統(tǒng)和非平衡態(tài)物質(zhì)大尺度有序結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生提供了一種新的力學(xué)機(jī)制。從宏觀尺度的多細(xì)胞有機(jī)體到亞微米尺度的細(xì)胞器，生命系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)自發(fā)產(chǎn)生有序的空間結(jié)構(gòu)。有序空間結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)可以區(qū)隔細(xì)胞質(zhì)組分或者分化后的細(xì)胞群體，在生命系統(tǒng)的代謝和發(fā)育過(guò)程中起到重要作用。生命系統(tǒng)中有序空間結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制通常需要化學(xué)信號(hào)和基因調(diào)控來(lái)協(xié)調(diào)細(xì)胞行為和分化過(guò)程。而在這項(xiàng)工作中，作者提出了一種簡(jiǎn)單的物理機(jī)制，即“自增強(qiáng)流動(dòng)性”，使得生命物質(zhì)形成跨尺度的大規(guī)模有序空間結(jié)構(gòu)。該機(jī)制可能幫助理解細(xì)胞質(zhì)的有序流動(dòng)以及動(dòng)物胚胎發(fā)育過(guò)程中的大規(guī)模細(xì)胞運(yùn)動(dòng)。更普遍地，這一機(jī)制適用于處在液體-固體行為邊界的其他非平衡活性物質(zhì)和軟物質(zhì)系統(tǒng)。

該研究獲香港研究資助局、國(guó)家科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)，以及新基石科學(xué)基金會(huì)等機(jī)構(gòu)資助。

編輯 |?張可

排版?|?夏天

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