细菌外形对集体运动影响的实验研究

集体运动广泛存在于各类生物系统中，比如宏观尺度上的鸟、鱼群，微观尺度上的细菌菌落等。基于非平衡态统计物理的数值和理论研究为这一起源于生物系统的重要课题提供了基本图像：多个自驱动个体通过短程相互作用形成长程有序的集体运动。然而这一理论图像尚未在实验上得到系统的定量检验，高质量实验数据的缺失是该课题进一步发展的障碍。我们计划在游动细菌的系统中开展关于集体运动的实验研究。细菌通过排斥体积与相邻个体作用，而排斥体积作用由细菌的外形决定，因此通过改变外形可控制细菌间的作用而影响集体运动。按照此思路，我们将利用显微成像和单细胞跟踪技术测量不同外形细菌在不同密度下运动的个体分布、速度、取向的时间和空间关联函数等物理量，以此量化细菌外形对集体运动的影响。本项目一方面将系统和定量的检验现有理论预言，深化对集体运动形成机制的理解；另一方面也将可能为工程应用中调控集体运动提供新思路。

本项目以运动细菌为焦点，关注自驱动系统中的力学和统计物理问题。在项目资助期间，我们已经建成了功能完备、手段多样的生物和流体物理实验室；在细菌运动力学机制、细菌集体运动等方面研究取得重要进展。我们的成果包括：1）发现球形细菌表现出与杆状细菌不同的集体运动，它们聚集在气液界面，形成转动的动态团簇；2）发现杆状细菌的动态团簇中涨落呈现出尺度无关的长程空间关联；3）揭示细菌鞭毛产生驱动的力学机制，找到产生最大驱动力的优化鞭毛外型，证明自然界中现存细菌鞭毛的外形接近于优化外形。项目负责人作为通讯作者已发表SCI论文5篇，包括Physical Review Letters 和 Proceedings of the National Academy of Sciences 各1篇。本项目的成果推动了对自驱动系统中相关问题的理解，为进一步研究奠定了基础。