螺旋式见解科学家观察细菌群落中的机械波

香港中文大学研究人员的一项新研究报告了细菌物质中出现机械螺旋波。

螺旋波常见于人造和自然系统(例如心脏)中。这些是由邻近元素的相互作用产生的，例如心脏中的心肌细胞。这些螺旋波会产生不同的影响，有时会导致危及生命的情况，例如心脏颤动。

这项发表在《自然物理学》上的新研究探索了细菌中的螺旋波——这是以前从未观察到的。研究人员特别关注铜绿假单胞菌。它们常见于土壤和水中，也存在于医院中。

这项研究是他们之前工作的延续，作者研究了细菌群落中通过开放流体通道的远距离物质运输。

该研究的合著者ShiqiLiu博士告诉Phys.org：“当我们研究细菌管道的发育时，我们发现了密度波的特征，并对这种美丽的波浪图案很感兴趣。”

螺旋波映射在活人的心脏中。

皮鲁斯电机

研究人员在细菌中观察到的这些螺旋波是一种新兴现象。涌现现象是复杂系统的一个重要方面，在复杂系统中，各个实体的相互作用会导致无法观察到的现象。

这意味着我们需要了解每个实体(在本例中是铜绿假单胞菌)水平上发生的情况。这些细菌具有菌毛马达，这是螺旋波的关键。

菌毛马达是分子马达，附着在菌毛上，菌毛是细菌细胞表面上细小的毛发状附属物。这些马达在细菌的各种过程中发挥着重要作用，例如运动和表面附着。

该研究的合著者吴一林博士解释说：“传播的螺旋波是由菌毛马达的协调活动引起的，菌毛马达是一种在许多细菌物种中发现的类似抓钩的运动细胞器。”

许多细菌中菌毛马达的机械运动会产生这些螺旋波，就像细菌表面的波纹一样。

蛋白质标记物和耦合振荡器

为了研究螺旋波，研究人员采用了实验技术和数学模型。

研究人员依靠使用荧光蛋白作为标记。他们通过用这些荧光蛋白标记一小部分细胞群来跟踪单个细胞的运动。

然后，他们使用显微镜观察单个细菌和细菌群体的行为。研究人员还使用这些标记来跟踪细胞密度，以可视化细菌群体内细胞的空间分布。

为了进一步了解菌毛运动活动在螺旋波产生中的作用，研究人员用已知影响菌毛运动活动的药物处理细菌群体。通过观察这些处理对波浪动力学的影响，他们可以推断出毛毛马达在波浪形成中的重要性。

最后，研究人员开发了一种基于耦合振荡器的数学模型，其中一个振荡器的运动会影响其他振荡器，反之亦然。建立数学模型是为了模拟细菌群体的行为并验证他们的实验工作。

非往复相互作用和大规模协调

研究人员发现，螺旋波是由菌毛马达的协调活动产生的。他们还观察到，波浪是自我维持且稳定的，其螺旋核几乎是静止的。

这种稳定性是其他生命系统中某些类型的电和化学螺旋波所共有的特征。然而，在细菌中观察到的螺旋波与其他螺旋波不同。

刘博士解释说：“我们在细菌群体中发现的螺旋张力波是由单细胞水平的循环机械过程引起的，与大多数化学/生物过程中的螺旋波不同，在大多数化学/生物过程中，螺旋波是振荡形式的。化学浓度。”

“此外，细菌群体中的螺旋张力波在没有外部刺激或不均匀性的情况下自发出现，而许多其他系统中的螺旋波需要刺激或空间不均匀性。”

此外，研究人员还证明了细菌细胞之间的非互惠相互作用对螺旋波的作用。他们发现这些相互作用(不对称，意味着一个细胞对另一个细胞的影响不是镜像的)对于螺旋波的稳定形成至关重要。

从本质上讲，这意味着这些相互作用可以导致某种形式的自组织(或维持)，从而引起大规模的集体行为或突发现象，例如螺旋波的传播。

生物膜和扩散

这些发现揭示了细菌种群和行为，例如生物膜的形成。

当细菌粘附在表面时，它会产生胞外聚合物(EPS)。这种物质形成了一个称为生物膜的结构化群落，使细菌嵌入EPS基质中，保护细菌免受抗生素等环境压力和宿主免疫反应的影响。

这整个过程被称为生物膜的形成，对于细菌菌落的生存至关重要。这种现象的反面——分散——同样重要。

当生物膜内的细菌分离并扩散到新的位置时，称为扩散。扩散可以根据环境因素、营养物质的可用性而发生，或者作为细菌生命周期的一部分。

这种机制可以帮助细菌定植新的表面或宿主环境，并可以影响传染病的传播或各种生态系统中微生物群落的形成。

研究人员认为，皮鲁斯电机不仅可以充当机械执行器，还可以充当传感器。这意味着它们可以检测环境中的机械刺激，从而允许细菌种群内同步运动。

“我们相信，菌毛活动的协调或耦合使细菌种群能够控制大规模的张力，并可能影响它们的扩散，”吴博士解释说。

因此，了解螺旋波有助于了解细菌物种的行为。

此外，在许多不同的系统中都发现了稳态螺旋波。刘博士解释说：“因此，菌毛驱动的细菌物质中的波模式可能为研究心脏组织等不同生命系统中稳定螺旋波的起源和控制提供一种易于处理的机械模拟。”

对于未来的工作，研究人员希望研究如何控制螺旋波。

“这些信息可能指导其他生命系统中稳定螺旋波的控制。例如，控制与危及生命的心律失常相关的心脏组织中的螺旋波，”吴博士说。

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