近日，西北大学物理学院经光银教授与合作者围绕微游泳体与流场的相互作用，从物理视角通过实验、数值计算、理论定义了具有左手螺旋鞭毛主导的游泳流体力学效应，构建了游动细菌的偏航全景图，解决了如何精确描述基本生物体准确轨迹这一长期困扰生物物理领域的难题。
研究成果7月10日发表在Science子刊Science Advances。（小标）细菌是天然“自驱动粒子” 研究其运动有重大应用价值首先，什么是自驱动物质？经光银教授表示，原来，日常生活中，无驱动力的物体只能随波逐流，例如，皮球在流动水面上跟随流水，漂流而下的细长竹筏尽管旋转但质心仍顺流而下。从物理角度来看，这些物体的运动具有一个共同特征，即物体质心顺着流体的流线前行，而不能横向跨越流线，从而制约这些“被动”物体的精准递送，尤其在小尺度下定点输运是一个巨大挑战。然而如果这些物体具有自驱动、自响应及自适应的“自我意识”，则必将改变被动式的输运行为，我们将这类物体称为自驱动物质。
近20年来，活性生物物理开始成为物理学新兴前沿研究领域，这类系统显著区别常规平衡态物理，系统在微观单元上有能量输入而被推向远离平衡态，其中微单元体具有自驱动、自适应，且可在无序中生有序并产生集群行为。受到应用需求刺激，在小尺度（如毫米以下）定位导航、精准外科手术、药物释放、微尺度下物质输送、微纳机器人研制等，对运动单元在无序复杂微环境介质中定向运动与导航具有重大应用价值。
经光银教授表示，细菌作为一种天然“自驱动粒子”，其运动支撑着许多微观与宏观生命活动，研究细菌运动规律，对细胞、细菌等在微管道中分离与分类、设计功能性生物马达、微机器人、以及防治微生物污染、细菌感染等提供科学依据。由于细菌作为一类微游泳体，微米尺度的身材使得布朗运动主导其游动的随机取向。流场可以产生应力作用于细菌整个表面，我们不禁好奇，做游泳运动的细菌是否在流速梯度场中展示出特殊的游动行为，是否能逃脱“随波逐流”的命运，而采取“智慧式”的响应与自适应行为？（小标）团队突破多项细菌驱流动力学研究
经光银教授介绍，2012年R. Stocker在MIT的课题组首次报道了具有手性细菌在剪切流中出现横向运动，然而这种横向“过河”运动与流场、布朗热运动、活性噪声、细菌取向等具有何种本质的物理机制都尚未明确。基于此，我们构建了一个精细的细菌显微跟踪实验，结合数值模拟，建立了精确流体物理模型，揭示了这种手性细菌驱流性的物理规律。实验上，通过高速显微精确成像，团队测量了微流管道中细菌轨迹、速度大小与取向，获得了大量细菌运动统计结果，管道中流量越大，细菌越容易做横向游动；越接近管道壁面（高剪切率）横向运动越显著。
如何确立鞭毛手性引起的细菌方向矢量变化，团队凭借多年的研究经验与物理直觉推测出了此作用项，从而得到了实验、模拟、理论惊人的一致结果，建立了手性引起细菌运动驱流普适方程与规律。此外，团队还有多个相关方面的研究进展。经光银教授作为论文第一作者，西北大学为第一完成单位，合作者包括巴黎物理化学学院（ESPCI）的Eric Clément、Anke Lindner教授和维也纳技术大学的Andreas Zöttl博士。该项工作受到国家自然科学基金面上项目资助。（文/西安报业全媒体记者 张潇）
编辑：融媒体
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