细菌的旋转与物理学中的相变有关系吗？

译者：郭修贤

动画截图 来源：“Perlin Whirls”

（https://www.openprocessing.org/sketch/419459）

乍一看，这动画也没什么稀奇之处：一群混乱的大肠杆菌在培养皿里面游曳，貌似毫无规律可言。这样的场景在全世界所有的微生物学实验室里每天都能看到。

但是在2015年一次物理学会议上，香港大学的研究生Chong Chen展示出这幅动画并强调称这是一个的惊人的发现：当菌落生长得越发密集之时，会有一大群细菌突然表现出有规律的运动。这一现象虽然不易被观察到，但十分迷人。经过对大量细菌的运动平均值的计算，他们追踪到大群细菌的运动轨迹是一个比单个细菌的椭圆轨迹大许多倍的正椭圆形。

Hugues Chaté是ACE Saclay （法国原子能委员会 萨克雷研究所）的理论物理学家，他在会议结束后和Chen进行了交流，宣称他能用理论的方式来解释Chen的这一异常结论。两人进行合作，同时还有Chen的导师Yilin Wu参与。他们近期在Nature上发表了一篇文章，阐释了看似无规律的单细菌运动如何集合成相对宏观的规律运动。这一奇特的现象系首次被报道。此后他们致力于在其他物种和在不同条件下验证这一现象。Chaté说，“这一现象是稳定而且普遍的，简直是叹为观止！”

这项研究只是科学家们探索细菌奇特的群体行为的研究之一。细菌群落受到刺激后便聚成大规模的涡旋，移动起来就像成群的牛羊在迁徙一样。研究人员将细菌排布成流动的规则晶体，这种晶体类似于液晶显示屏里的液晶。而细菌的运动甚至已经能被用来给微型机器提供动力。

在一个大肠杆菌菌落中，两个硅油示踪剂（黑色小点）的移动轨迹呈现出两个同步移动的环。

科学家们正在创立一个被称为“active matter”的新兴领域，其中支配各个独立单位之间的复杂相互作用的是简单的数学规律，每个单位依靠自己来完成能量的利用和自身的移动，从而产生更高尺度上的有序性。这一研究在解释水分子如何结晶为冰，以及原子自旋如何排列形成磁体的问题上已经取得了巨大成功。物理学家们现在正在将这一想法推向广阔的微生物世界。他们有证据表明，统计物理学可以帮助解释细菌一些不同寻常的行为。

鱼群在水下涡旋回旋穿梭，椋鸟群在天空盘旋掠过，这景象就像有一只无形的大手在操纵。如此大规模的协调运动是如何形成的？这成了生物学中最迷人和最持久的奥秘之一。20世纪早期有一位生物学家困惑于鸟群能够突然改变飞行方向，他猜测这些鸟之间可能共享一部分的“群体意识”。

对于物理学家来说，这种集体行为引起的不是灵魂的被唤醒，而是引发相变！当大多数参数，譬如温度或者压力增高或降低超过一定值的时候，数十亿的粒子同时变得有序 。就在此刻，相发生了转变。物理学家长期以来一直为相变所吸引，因为在种种不同特性之中都共同享有的是一套普遍而且高度发达的数学语言。

虽然相变的概念已经在物理学家传统研究中的“非生物（静态）”的世界中出现，比如在磁和水的研究中。但是相变也可能发生在诸如鸟类，细菌或者癌细胞等“应激”的生物（“active” matter）中。不同之处在于动物和细胞是彼此独立地获取和利用能量。因此，它们不一定处于热平衡状态。这使得人们更难去分析这种相变，但同样重要的一点是，恰如布达佩斯罗兰大学的生物物理学家Tamás Vicsek所言，“在这个星球上，几乎一切都是非平衡的”，“相变的问题必须依靠计算机才能解决”。

Vicsek几乎仅凭自己的天才，在1995年开创了active matter（此处理解为有规律可产生应激反应的非智慧生命群体，可考虑译为“应激性群体”）的研究领域，当时他领导一个团队，模拟出粒子倾向于与邻近粒子发生整齐排列的移动粒子云模型。通过调整两个参数——密度和随机噪声（一种表示温度的方式）——他收集了从粒子进行无序运动的无序状态翻转为粒子排列整齐并“成群结队”（“flocking”）定向移动的有序状态的信息。换句话说，是他人为的引发了相变。尽管Vicsek在他的影响深远的论文中并未使用过“flocking model”这个术语，但是Vicsek “成群”模型（Vicsek’s “flocking” model）却引发了人们用更加复杂的理论来解释非平衡状态中的秩序（order）的探索热情。

成群的椋鸟表现出的应激行为

摄影：David Kjaer来源：The RSPB (https://www.rspb.org.uk/)

然而，测试这样的理论很困难，因为你需要有一大群相同的并且是可以自发移动的单元来操纵和观察。鱼和鸟都只可能是糟糕的试验对象，因为它们具有自己的想法。细胞内的组分，比如构成细胞骨架的胞内纤维；虽然也会显示出集体行为，但是不容易被分离和纯化。而具有合适性质的合成粒子却难以生产出来。法国国家科学研究中心和巴黎狄德罗大学的物理学家 Julien Tailleur说，活细菌又一次冲在了科研第一线：细菌能通过进食摄取能量，并且使用鞭毛或其他方式来使得自己移动，这让细菌具有成为active matter的基本特性。同时，细菌很容易用于实验，而且可以从它们生长的自然环境中“免费”获得：海洋，土壤和人体。

许多细菌的外形就像“Vicsek成群模型”，至少在表面上。它们通常是棒状的，并具有“头”和“尾”。事实上，正是细菌的集体行为激发了Vicsek的研究灵感，尽管他的名字现在更多地被引用于和鸟类相关的研究中，也许是因为1995年他的那篇文章中图形里的箭头看起来更像鸟，而不是细菌。

左：成群的椋鸟。（来自网络）  右：Viscek在1995年文章的插图。

“也许是因为1995年他的那篇文章中的箭头看起来更像鸟，而不像细菌。”

在Viscek文章发表之后的几年里，一些实验证明了他的模型能够在简易的人工设置的条件下解释细菌的行为，但是这些实验也显示出该模型在试图对自然界细菌的全面复杂性的解释上还是过于简单。Viscek和特拉维夫大学的合作者首先将细菌置于厚层琼脂中的一层平面薄膜上，并在1996年的一篇文章中报道，细菌形成的涡旋和群落可以用他的改进版的模型来解释。这一改进版的模型在原来模型的基础上添加了“一些自然环境因素”，以考虑到细菌化学和细菌繁殖等诸多情形。

然后在2004年，亚利桑那大学的物理学家Raymond Goldstein和同事把细菌放置在三维液滴中，观察到射流与涡旋的产生和消失。这种现象只能通过向Vicsek模型添加流体动力学来解释，这一研究最早由班加罗尔的印度科学研究所的理论物理学家Sriram Ramaswamy完成。Goldstein说：“天啊，我们突然意识到存在一个能印证理论推测的系统。”

2010年，由德克萨斯大学奥斯汀分校的物理学家HePeng Zhang领导的团队采取另一种方法，用显微镜和图像分析软件测量在一个平面上单个细菌（而不是群体）的运动。这项研究证实，尽管细菌在物理和化学意义上具有复杂性，但是在运动过程中形成的集体行为可以用简单的类似于Vicsek模型的模型来解释。

此后，Goldstein，Zhang和其他科学家已经逐渐熟练于诱导细菌产生这一奇妙的行为。现在剑桥大学工作的Goldstein从2013年发表的一系列文章中报道，将细菌限定在一条轨道上可以迫使细菌选定一个单一的方向进行移动。将这一想法进一步推演，罗马第一大学的科学家Roberto Di Leonardo使用流动的细菌流来运输小型货物，另有科学家已经诱使它们来转动小齿轮。在某种程度上，这些实验表明细菌驱动的微型机械装置是可行的。

Zhang现在就职于上海交通大学，他现在已经能够将细菌操纵成类似于液晶的状态，形成一种新型的材料。在这一材料中，每个独立单元可以根据诸如电场等外部影响进行排列。Zhang通过将相当数目的沙雷氏细菌置于可阻止细胞分裂的抗生素中，从而使它们比正常细菌生长得更长（尽管后来发现自然界中存在有自然伸长的不同细菌）。最后，菌落变得十分密集，从而使得细菌排列一致并开始流动。在流场的某些位点处，细胞的排列失去秩序——比如一群细胞可能与邻近的细胞群垂直方向分布。在这种“拓扑缺陷”中，Zhang发现细菌能够推动或者牵拉周围的液体。这一行为操纵了整个细菌群落的移动和排列。包括Ramaswamy在内的理论物理学家已经预测到，在某种条件下，active-matter系统中会出现排列和缺陷，并且这类现象已经在被由微管（一种细胞内骨架组分）制成的晶体中观察到。但还没有人明确地观察到活细菌发生此种现象。

这项研究可能有着深远的影响。普通（被动）液晶已经催生出了高达数十亿美元的显示器工业，因此一些研究active-matter的物理学家希望活性液晶同样可以带来新产业。不过Zhang还没有准备好将他的发明当作液晶一样的存在，对此他颇有顾虑。“我只是一个物理学家！”他说。科学家也注意到，让细菌应用到工业生产上还存在很大的技术挑战：必须保持活性、有别于常规材料、能够自发复制。宾州大学的物理学家Igor Aronson将细菌添加到普通液晶中制造出混合材料，他提出另外一种想法：细菌液晶可以帮助模拟细菌如何与诸如粘液（粘液具有与液晶相似的特性。）的生物材料发生相互作用。

不断出现的实验进展使得到如今只剩一些悬而未决的大问题留给我们：为什么会存在集体行为？集体行为是否会帮助细菌生存或繁殖？抑或集体行为仅仅是细菌基本生物学的表象之一，而不像磁性可以被认为是量子力学的表象？

鱼群在躲避捕食者 （图片：来自网络）

人们热衷于认定细菌模型代表着进化的结果。普林斯顿大学研究粘细菌的生物物理学家Joshua Shaevitz说，“物理学的规律可以让你自由地提出一个模型，所以我们认为生物学可以利用这一点。也许在某种情况下，或者在许多情况下，都可以至少是部分地利用这一点，提出一个简易的模型。”

从最开始，active-matter的支持者就遵循这一思路。Vicsek和他的合作者在1996年的文章中提出，细菌群落形成的涡旋能够帮助细菌富集环境中的营养物质。同时，Goldstein的研究小组认为，细菌涡旋可能是被称为生物膜（biofilm，膜状生物群落，而非细胞内生物膜系统。译者注）的粘性细菌基质的起源。在生物膜中，许多细菌从自由游动的个体转变为移动较少的集体状态。这种相变无法逆转。

生物膜是生物医学研究的热门话题之一。生物膜要远比自由游动的细胞更能抵抗抗生素，并能引起一些最难以治愈的感染。解释生物膜是如何形成的，以及寻找预防或破坏生物膜的方法是所有细菌研究人员的梦想，而且已经成为建立active-matter实验和生物膜之间联系的基础。例如，在最近出版的Nature上，Chaté和他的合作者写道，他们震荡大肠杆菌，发现有时候细菌会沉积出类似于生物膜前体的物质，大致与他们观察到的细菌涡旋的形状相同。他说：“这一现象背后深刻的生物学意义我们还不得而知，但是我们非常确定的是这些在这些震荡中发生的事情与生物膜状态的发展有关系”。

有些人不太相信active-matter的概念可以解释由自然界中有机体实际参与的行为。受active-matter启发的实验通常将细菌紧密填充，使得密度高于通常在自然环境中发现的密度。普林斯顿大学的生物物理学家Jing Yan发现，细菌已经进化出许多种方式来形成生物膜，其中的一些方式与细菌的运动无关。Yan及其同事已经证明，在霍乱弧菌（引起霍乱的病原菌）的试验中，当分裂的细胞聚集达到较高密度时生物膜形成，而从一个运动状态发生相变是不会引发生物膜形成的。一些细菌是球形的而不是棒状的，因此依赖于有序排列（alignment）的模型并不适用于此。Yan说，“在生物学中，每一个物种都是与众不同的。我们并不是想要提出一个能够适用于所有物种的一般模型”。

德克萨斯大学奥斯汀分校的生物物理学家Vernita Gordon补充道，统计物理学可能为生物膜的形成提供部分解释，但不能完全描述细菌，更不能完全解释其成千上万的基因和蛋白质，以及嵌有与不同分子结合的受体的膜表面。她认为，“只考虑这些细菌的作为active-matter的特性，反而会遗漏了细菌许多其他的重要的生物学特性。”

加州大学圣迭戈分校的分子生物学家 Gürol Süel说，active-matter的研究者已经发现了一些激动人心的现象，但是物理学家们认为生物学家需要更加重视物理学家所提出的理论。这意味着物理学家必须解释某一种特定的行为是如何帮助细菌进行生存和繁殖的，正如 Süel最近在电信号方面所做的工作，他发现在生物膜中细菌之间可以传播电信号。他说：“无论我们看到的是哪一种模型，我们都会为其着迷，而且立刻赋以某种意义，但这并不一定意味着它具有某种功能。”

然而，Chaté认为研究active-matter对于解释基本生物学问题将发挥很大的作用。首先，它提供了一种有效捕获数百万个单元的交互的方式；其次，它的细节极尽繁复，无法在计算机上进行仿真。尽管如此，他知道active-matter发挥功用的一天终究会到来。我们无法忽略这一事实。

即使这一领域还没有引起生物学家的广泛关注，物理学家也会继续“群起”而研究之。随着物理学家越来越多地进入生命科学领域，近年来在学术期刊和物理会议上出现的与active-matter有关的文章也有所增加。 Chaté, Tailleur以及他们的同事们在某种程度上视自己为早期的自然主义者——发现了一个奇妙的，及其复杂的细菌行为的新世界。这就像花了一个世纪才从达尔文和华莱士的物种分类发展出遗传多样性的分子理论一样，他们认定现在讨论这趟发现之旅将驶向何方还为时尚早。但他们相信会有硕果等着他们去采摘。

“现在我们还在探索阶段，”Tailleur说，“下一阶段，当我们知道了哪些是重要的特性时，希望我们可以将其应用到生物学中去。”