正如許多人在學(xué)校科學(xué)課上看到的那樣，生長(zhǎng)在固體表面上的細(xì)菌，形成的菌落可以很容易地用肉眼看到。每一個(gè)群體都是一個(gè)復(fù)雜的生物系統(tǒng)；群體表現(xiàn)出集體行為，表明一種“社會(huì)智能”，并以類似雪花的分形模式生長(zhǎng)。

盡管如此復(fù)雜，但菌落生長(zhǎng)可以使用基本物理原理進(jìn)行建模。Lautaro Vassallo和在阿根廷國(guó)立de Mar del Plata大學(xué)的同事使用一種新方法對(duì)這種生長(zhǎng)進(jìn)行了建模。

在這種方法中，每種細(xì)菌的行為都是單獨(dú)模擬的，其研究現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)表在《歐洲物理期刊B》上。細(xì)菌菌落從單個(gè)細(xì)胞中生長(zhǎng)出來(lái)，所以所有的細(xì)菌在基因上都是該原始細(xì)胞的相似克隆。Vassallo和研究團(tuán)隊(duì)在計(jì)算機(jī)上模擬了這種生長(zhǎng)模式，同時(shí)改變了不同的參數(shù)：“生物”參數(shù)，如細(xì)胞分裂速度和養(yǎng)分的可用性，以及“物理”參數(shù)，如相鄰細(xì)胞之間的機(jī)械力，其研究結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀察到的模式非常一致。

在模擬中，就像在自然界中一樣，所有的菌落開始時(shí)都是緊湊的圓形斑點(diǎn)，雪花狀的分形圖案出現(xiàn)在較晚階段。研究人員使用多重分形分析技術(shù)來(lái)描述一種特定類型的細(xì)菌運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的模式：滑動(dòng)。這意味著細(xì)菌不會(huì)獨(dú)立移動(dòng)，而是通過(guò)分割和競(jìng)爭(zhēng)同一空間，在群體內(nèi)相互推動(dòng)。這只是至少六種明確定義的細(xì)菌運(yùn)動(dòng)類型之一，但它特別重要，因?yàn)榫涫褂盟纬沙志煤歪t(yī)學(xué)上具有挑戰(zhàn)性的生物膜。

然而Vassallo和同事們希望將技術(shù)應(yīng)用于模擬其他運(yùn)動(dòng)類型，甚至模擬菌落內(nèi)細(xì)菌之間的交流。在細(xì)菌菌落的生長(zhǎng)過(guò)程中，根據(jù)外部條件和細(xì)菌種類不同，在實(shí)驗(yàn)中可以觀察到各種各樣的復(fù)雜模式。通常，現(xiàn)有模型采用反應(yīng)擴(kuò)散方程系統(tǒng)或由基于規(guī)則的生長(zhǎng)過(guò)程組成，并且僅限于離散晶格。相比之下，研究提出的二維模型是一種非晶格模擬，其中細(xì)菌被模擬為剛性圓，而營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是點(diǎn)狀的布朗粒子。

通過(guò)改變養(yǎng)分的擴(kuò)散和濃度，研究模擬了與實(shí)驗(yàn)觀察相容的廣泛的形態(tài)，從圓形和緊湊到極其分枝的圖案。發(fā)現(xiàn)界面中的單元數(shù)目與單元總數(shù)之間存在比例關(guān)系，具有兩個(gè)特征區(qū)域。這些制度對(duì)應(yīng)于緊湊和分枝模式，分別為足夠小和足夠大的菌落展示。此外，研究通過(guò)分析生長(zhǎng)概率的多重分形特性來(lái)表征在結(jié)構(gòu)中觀察到屏蔽效應(yīng)。

博科園｜研究/來(lái)自：Springer

參考期刊《歐洲物理期刊B》

DOI: 10.1140/epjb/e2019-100265-0

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