在自然界與醫(yī)學(xué)環(huán)境中，細(xì)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(dòng)行為：鞭毛細(xì)菌由于流體偶極子誘導(dǎo)的吸引流場和幾何排斥，往往趨向“貼壁”運(yùn)動(dòng)，并在表面形成密集層，這是生物膜形成的重要前奏。細(xì)菌如何在這樣低雷諾數(shù)的環(huán)境中游動(dòng)、感知并響應(yīng)周圍界面，是活性物質(zhì)物理與微生物物理的重要問題。

近日，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心彭毅研究員團(tuán)隊(duì)與理論物理研究所的孟凡龍研究員團(tuán)隊(duì)在 Physical Review Letters 發(fā)表最新成果，揭示了受限空間中游動(dòng)細(xì)菌會(huì)遠(yuǎn)離固體表面，轉(zhuǎn)而聚集在中間區(qū)域，這源于一個(gè)長期被忽略的流體“力四極子”效應(yīng)。

研究者以大腸桿菌為模型系統(tǒng)，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(xì)菌的密度分布。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著通道高度減小，細(xì)菌的分布峰值從兩側(cè)表面逐漸轉(zhuǎn)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(xiàn)在通道中心。與此同時(shí)，細(xì)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(xì)菌更容易“逃離”。研究團(tuán)隊(duì)建立了多極展開的連續(xù)介質(zhì)模型，在模型中加入力四極子（force quadrupole）項(xiàng)后，才能完整重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中密度分布由“表面富集”向“中央?yún)R聚”的轉(zhuǎn)變。這一效應(yīng)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(xì)菌轉(zhuǎn)向也會(huì)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(shù)，僅考慮細(xì)菌幾何與游動(dòng)速度的參數(shù)，即可定量預(yù)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該研究表明，高階流體項(xiàng)在微觀生物運(yùn)動(dòng)中扮演著關(guān)鍵角色。力四極子引發(fā)的流體旋轉(zhuǎn)不僅在受限幾何中幫助細(xì)菌脫離表面，也能在半無限大的空間中影響細(xì)菌密度分布與游動(dòng)行為。這一發(fā)現(xiàn)不僅深化了我們對活性物質(zhì)在復(fù)雜幾何中動(dòng)力學(xué)的理解，也為通過幾何設(shè)計(jì)或表面工程調(diào)控微生物運(yùn)動(dòng)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(tǒng)的抗污染能力等領(lǐng)域。

圖1 受限空間減弱表面富集現(xiàn)象。a）細(xì)菌在不同厚度H樣品中的密度分布。B）樣品中央?yún)^(qū)域密度和密度峰值的比值。曲線代表不同的力四極子強(qiáng)度和細(xì)菌長度下模型的預(yù)測值。

該工作以“Confinement Reduces Surface Accumulation of Swimming Bacteria”為題發(fā)表于Physical Review Letters（135,188401 (2025)）。中國科學(xué)院物理研究所軟物質(zhì)物理實(shí)驗(yàn)室副研究員魏達(dá)和北京航空航天大學(xué)物理學(xué)院副教授胡世淵為共同第一作者，中國科學(xué)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(xué)基金和中國科學(xué)院的支持。

編輯：ThymolBlue