流过晶格的细菌表现得像磁性材料中的电子

无论物体的大小，物种或环境如何，自然界中都存在某些普遍的模式。例如，在树枝和血管中看到的分枝分形，或者在软体动物和卷心菜中出现令人惊讶的类似螺旋。现在，麻省理工学院和剑桥大学的科学家已经发现了细菌和电子集体运动中一种意想不到的共同模式：当数十亿的细菌流过微流体晶格时，它们以与磁性原子核周围的电子轨道相似的模式同步和游动。材料。

研究人员发现，通过调整微流体晶格的某些尺寸，它们能够引导数十亿微生物在同一方向上对齐和游动，就像电子在产生磁场时沿相同方向循环一样。随着晶格的轻微变化，细菌群以相反的方向流动，类似于非磁性材料中的电子。

令人惊讶的是，研究人员还发现了一种适用于细菌和电子运动的数学模型。该模型源于一般的晶格场理论，该理论通常用于描述磁性和电子材料中电子的量子行为。研究人员将这个复杂的模型简化为一个更简单的“教科书”模型，该模型预测相变或流动方向的变化应该随着晶格尺寸的某些变化而发生 - 团队在实验过程中观察到的过渡。菌。

“我们看到这种普遍性是非常令人惊讶的，”麻省理工学院应用数学助理教授JörnDunkel说。“真正的好处是，你在这里有一个生命系统，它显示了人们认为在量子系统中也会发生的所有这些行为。”Dunkel和他在剑桥大学的同事 - 雨果威兰德，弗朗西斯伍德豪斯和雷蒙德戈德斯坦'83 - 昨天在自然物理杂志上发表了他们的研究结果。

引导细菌表面

Dunkel首先开始研究由Goldstein领导的剑桥大学小组作为博士后的细菌游泳模式。研究人员正在探索如何操纵细菌流，作为一种方法来防止生物膜密集的微生物粘液层，可以接管淋浴间，堵塞过滤系统，并坚持船体。

“我们一般对像细菌这样的微生物如何单独和共同地与表面相互作用感兴趣，以及表面如何引导微生物，”Dunkel说。在最初的实验中，研究人员将细菌放入逐渐变小的水池或水井中，观察它们的游泳模式。在较大的井中，微生物倾向于相对无序地游泳。在更小的井中，大约70微米宽，数千个细菌开始以有序的方式运行，长时间以螺旋形式在井内以相同方向游动。

与当前相反

在这项新研究中，研究人员观察到细菌流过这些小井的相互连接的阵列。由透明的橡胶状聚合物制成，晶格由100个孔组成，每个孔的尺寸为70微米，并通过一个小通道连接到它的邻居。他们将细菌注入阵列并观察细菌在每个孔内流动的方向。

Dunkel和他的同事们发现他们能够通过改变一个关键尺寸来操纵细菌的流动：连接通道的直径，或者他们所谓的间隙尺寸。如果间隙太小，则一个井中的细菌将在与相邻井中的邻居相反的方向上旋转，就像非磁性材料中的电子交替循环一样。然而，如果间隙尺寸为8微米或更大，研究人员观察到相变，其中每个井中的细菌同步，沿着相同的方向流动，就像磁场中的对齐电子一样。

研究人员发现，更大的间隙尺寸可以让更多的细菌从一口井流到邻近的井中。细菌在孔之间的这种运动在每个孔的边缘产生“边缘电流”或细菌流，这反过来又导致井内的细菌流过它。总体结果是每个孔内的大多数细菌以相同的方向流动，与边缘电流相反。

建模集体运动

为了观察细菌和电子的类似运动是否在数学上产生，Dunkel和他的同事研究了晶格场理论，该模型通常用于描述量子系统中电子的行为。他们将这个更复杂的模型简化为Ising模型 - 一个“教科书”模型，用于描述二维方形晶格内的电子自旋，类似于研究人员制造的微流体晶格。

将Ising模型应用于它们的物理晶格，研究人员发现该模型预测了一个参数变化的相变，在这种情况下，这个参数变成了间隙尺寸。Dunkel和他的同事们发现模型预测与他们在正方形格子中的实验相匹配。

该小组还研究了流经三角形格子的细菌 - 三个相互连接的井的重复模式 - 并且发现理论预期与观察结果相符。

Dunkel说，他希望在更随机的安排和环境中探索细菌流动。

“在像土壤或组织这样的真实多孔介质中，你没有这种非常均匀的细菌分布，”Dunkel说。“那么细菌的集体运动如何受到培养基随机性的控制?这是下一个更大的目标。”

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