漩涡阵列（示意图）。 受访者供图

本报讯（记者张双虎）香港中文大学教授吴艺林团队研究发现，细菌组成的微生物流体可自发产生稳定有序的“漩涡阵列”。这为理解生命系统中一些有序结构的形成提供了新的、更简单的视角，也拓宽了人们对非平衡态物质的认识。相关研究近日在线发表于《自然》。

生命系统中，从宏观尺度的多细胞有机体到亚微米尺度的细胞器，有序的空间结构十分普遍。有序空间结构可以区隔细胞质组分或分化后的细胞群体，在生命系统的代谢和发育过程中起着重要作用。

“生命系统中细胞、细胞器的聚集有一定的结构。”吴艺林告诉《中国科学报》，“就像人们用各种材料修建房屋一样，很多细胞会组成复杂且有序的图案。一般认为这种有序结构（空间图案）通过多种化学物质的扩散和相互作用形成，但我们发现了一种纯粹的力学机制，可以产生大尺度的规则图案。”

两年前，该论文第一作者、香港中文大学研究员徐浩然在显微镜下观察细胞运动时，偶然看到一个“神秘现象”：致密的细菌活性物质能自发地组织成有序的快速旋转的漩涡。每个漩涡由数万个运动细胞组成，这些介观尺度（即纳米和毫米尺度之间）的漩涡在厘米尺度空间中排成有明显晶格特征的“三角点阵”，其中的单个细胞也协调有序地旋转。

“我们在实验中发现，有些漩涡阵列可达厘米尺度，而细菌通常只有微米大小。这意味着，有上亿细菌参与运动，一起形成复杂的有序结构。”吴艺林说。

吴艺林和徐浩然想知道是什么因素导致漩涡产生。团队通过单细胞跟踪和数值模拟表明，这种大尺度的有序的漩涡晶格点阵，源于高密度活性流体中个体表现的“自增强流动性”。

“所谓‘自增强流动性’，可粗略地用鱼群来类比理解。”吴艺林解释说，就像无数小鱼密密麻麻聚在一起，它们各自独立又相互影响，鱼和鱼之间会产生相互作用，也会对周围的液体产生力，如果每条鱼行动一致，这些力叠加起来可能更有利于鱼群运动。

该研究还首次在实验中观测到，在没有外场引导或特定约束条件下，湍流能自发演化出稳定有序的空间结构。“也就是说，我们找到一种方法，能将湍流中那些随机产生又瞬间消失的不稳定漩涡稳定下来。”吴艺林说。

在经典物理学中，湍流是座人们尚未走出的“迷宫”。其中湍流漩涡在什么条件下发生、如何在空间分布等问题仍存在争议。有理论预测非平衡流体可以产生稳定的漩涡结构，但没有人能够证实。两位研究者不仅看到该现象，还弄清了其发生条件，这让人们对非平衡流体的认识更加深入。

《自然》审稿人认为，迄今没有哪个微生物体系能在这么大尺度上产生如此有序的漩涡结构，因此该发现非常有趣，也令人惊喜。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07114-8