狹縫中的細菌逃離表面 | 進展

在自然界與醫學環境中，細菌常生活在受限幾何中——如土壤孔隙、尿道或組織間隙。然而，已有研究多集中在單一固體表面附近的游動行為：鞭毛細菌由于流體偶極子誘導的吸引流場和幾何排斥，往往趨向“貼壁”運動，并在表面形成密集層，這是生物膜形成的重要前奏。細菌如何在這樣低雷諾數的環境中游動、感知并響應周圍界面，是活性物質物理與微生物物理的重要問題。

近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心彭毅研究員團隊與理論物理研究所的孟凡龍研究員團隊在 Physical Review Letters 發表最新成果，揭示了受限空間中游動細菌會遠離固體表面，轉而聚集在中間區域，這源于一個長期被忽略的流體“力四極子”效應。

研究者以大腸桿菌為模型系統，利用高速共聚焦顯微鏡在厚度從 5 到 160 微米的平行板微腔中追蹤細菌的密度分布。實驗發現，隨著通道高度減小，細菌的分布峰值從兩側表面逐漸轉移到中間層（見圖1）。在極端受限的情況下，密度峰值甚至完全出現在通道中心。與此同時，細菌從表面“脫附”的速率顯著提升。這表明受限空間能有效抑制表面聚集，使細菌更容易“逃離”。研究團隊建立了多極展開的連續介質模型，在模型中加入力四極子（force quadrupole）項后，才能完整重現實驗中密度分布由“表面富集”向“中央匯聚”的轉變。這一效應不限在受限空間中，即使在半無限大空間，力四極子引起的細菌轉向也會改變它的密度分布。值得注意的是，這一模型無需引入任何擬合參數，僅考慮細菌幾何與游動速度的參數，即可定量預測實驗結果。該研究表明，高階流體項在微觀生物運動中扮演著關鍵角色。力四極子引發的流體旋轉不僅在受限幾何中幫助細菌脫離表面，也能在半無限大的空間中影響細菌密度分布與游動行為。這一發現不僅深化了我們對活性物質在復雜幾何中動力學的理解，也為通過幾何設計或表面工程調控微生物運動開辟了新路徑，未來有望用于防止生物膜形成、提高微流控系統的抗污染能力等領域。

圖1 受限空間減弱表面富集現象。a）細菌在不同厚度H樣品中的密度分布。B）樣品中央區域密度和密度峰值的比值。曲線代表不同的力四極子強度和細菌長度下模型的預測值。

該工作以“Confinement Reduces Surface Accumulation of Swimming Bacteria”為題發表于Physical Review Letters（135,188401 (2025)）。中國科學院物理研究所軟物質物理實驗室副研究員魏達和北京航空航天大學物理學院副教授胡世淵為共同第一作者，中國科學院物理研究所彭毅研究員和理論物理研究所孟凡龍研究員為本文的共同通訊作者。此工作得到了國家自然科學基金和中國科學院的支持。

編輯：ThymolBlue