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细菌菌落中的拓扑缺陷和集体运动 Data-driven quantitative modeling of bacterial active nematics

近日,上海交大物理与天文学院,自然科学研究院张何朋课题组及其合作者,运用实验、理论和数值的方法对细菌菌落中的拓扑缺陷和集体运动开展了系统研究,研究成果于12月28日在Proceedings of the National Academy of Sciences在线发表 Data-driven quantitative modeling of bacterial active nematics

活性物质(active matter)是当前物理学交叉研究中的一个新兴课题,此类系统的构成单元具有自驱动能力, 通过消耗自身或环境储备的能量来实现各种形式的运动;典型的例子包括宏观尺度的人群、鸟群、鱼群和昆虫,微观尺度的运动细胞、细菌和人造微纳米马达等。活性物质的组成个体能通过相互作用形成丰富的非平衡动力学过程,如集体运动、相分离等,使得该系统具有众多特殊性质,如巨密度涨落和自发流动等。

很多活性个体具有杆状外形,高密度条件下,这一类系统呈现出局域的取向有序,有序区域之间存在拓扑缺陷。前人的理论研究表明,拓扑缺陷对系统的集体运动等动力学特性有决定性影响,缺陷的产生-湮灭过程控制了系统的时间-空间特性;这一重要理论预言在纺锤细胞和微管系统中得到了初步的实验验证。但由于前人理论参数较多、实验测量不够系统,至今未有严格的实验-理论定量比较,这一缺失阻碍了该领域的进一步发展。

为解决这一问题,张何朋课题组及其合作者首先利用长细菌构建了一个新的实验系统,精确测量该系统的运动和取向场,同时调整细菌的长度和运动速度获得系统实验数据。通过对实验数据的分析,他们不但精确测量了全局的时间-空间动力学,也量化了单个拓扑缺陷的统计和运动特征,揭示了若干拓扑缺陷的新性质。与实验结果配合,研究人员构造了一个新的理论模型,与前人的模型比较,新模型的物理图像清晰且含有较少的参数。充分利用获得的实验结果,他们能精确决定模型中的所有重要参数,实现了实验-理论定量比较,证明了新模型的合理性;这些成果为活性物质的定量研究打下了坚实的基础。

本项工作主要由博士生李赫完成,苏州大学的施夏清和法国原子能总署(CEA)的Hugues Chate提供了理论方面的指导,深圳先进研究院的刘陈立提供了细菌基因操作方面的帮助。 研究工作得到了国家自然科学基金、上海市科委和教委的基金支持。

Active nematics are nonequilibrium fluids consisting of elongated units driven at the individual scale. They spontaneously exhibit complex spatiotemporal dynamics and have attracted the attention of scientists from many disciplines. Here, we introduce an experimental system (made of filamentous bacteria) and a type of microscopic model for active nematics. Simultaneous measurements of orientation and velocity fields yield comprehensive experimental data that can be used to identify optimal values for all important parameters in the model. At these optimal parameters, the model quantitatively reproduces all experimentally measured features. This, in turn, reveals key processes governing active nematics. Our versatile approach successfully combines quantitative experiments and data-driven modeling; it can be used to study other dense active systems.

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