4月17日，香港中文大学物理系暨深圳研究院吴艺林课题组在《自然·通讯》（Nature Communications）上在线发表了题为“运动细菌的自组织驱动菌落中长距离流体输运”（Self-organization of swimmers drives long-range fluid transport in bacterial colonies）的研究论文，发现了细菌群落中大尺度群体分布和物质输运的新机制，为深入理解和控制细菌群落的群体行为提供了新的思路。

　　微生物通常依赖分子扩散来输运物质，例如摄取营养成分和传递化学信号。扩散作用在微米尺度上是高效的，然而对长距离（毫米以上）的物质输运而言，扩散不仅缓慢而且低效。例如当微生物受激分泌小分子化学信号时，该信号峰值需要大约10个小时才能传播到1厘米之外。许多细菌种属能利用鞭毛进行主动运动。这些细菌运动时，鞭毛在分子马达的驱动下旋转并在细菌周围产生液体流动。细菌能否利用鞭毛旋转产生的流场来辅助物质输运？

　　吴艺林带领的合作团队首次发现，带鞭毛的细菌可以通过自组织产生的定向流场来实现长距离输运。该团队观察到，寻常培养的细菌（例如E. coli和P. mirabilis）菌落中处于运动状态的亚群体能以类似相分离的方式在边界层聚集，并且自组织成为高度有序的“运动环”环绕整个菌落（图一）。他们进一步发现运动环中细菌的鞭毛活动产生了环绕菌落的定向流场，流速高达约30微米/秒。该定向流场有助于菌落内部物质的长距离（厘米尺度）输运（图二）。实验和流体力学模型结果确认运动环的自组织源于细菌之间以及细菌与环境之间的力学相互作用。

　　这一发现揭示了运动细菌的一种新颖的自组织机制，对细菌群落中的群体结构和物质分布可能具有深刻影响。在自然界和人体中，细菌普遍以群落的形式生存，例如生物被膜（biofilm）。细菌群落中通常具有环境的非均一性和群体的多样性，不同群体的生理作用和分工是微生物生态学的重要问题。具有运动能力的亚群体可能通过自组织来促进群落中的物质交换，并为群落带来竞争优势。此外，相关结果也对设计自组装的微流操纵装置具有启发意义。

　　该研究第一作者为香港中文大学物理系博士生徐浩然，流体力学建模部分由剑桥大学的Eric Lauga教授及学生完成。该研究得到了国家自然基金面上项目及香港研究资助局等机构的支持。

　　全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-09818-2

　　

　　图一. 细菌（P. mirabilis）菌落边界处的运动环自组织。

　　 

　　

　　图二. 细菌（P. mirabilis）菌落中的长距离输运 （标尺：0.5毫米）。