《自然》：香港中文大学吴艺林/徐浩然发现生命物质自发产生有序的大尺度涡旋阵列

来自公众号：小柯物理

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香港中文大学物理系的生命物质物理实验室发现微生物流体可以自发产生稳定有序的涡旋阵列。这一发现为理解生命系统和非平衡态物质中大尺度有序结构的产生提供了一种力学机制。北京时间2024年3月14日，研究在线发表于《自然》。

香港中文大学物理系博士后研究员徐浩然和合作导师吴艺林教授为论文作者。

该研究发现的有序涡旋结构由湍流演化而成。湍流是流体混乱无序的运动，在自然界中普遍存在。除了人们熟悉的发生在江河与空气中的湍流，冷原子组成的量子流体、活细胞组成的生物流体、甚至星际物质都有湍流现象。湍流的一个重要特征是随机形成无序的涡旋结构。在该研究中，作者发现，由活细菌组成的生命物质流体（这是一类典型的非平衡态物质或者所谓“活性”物质）能自发地从湍流中演化出稳定有序的涡旋阵列，每个漩涡由约数万个运动细胞组成。这些涡旋在厘米尺度的空间中排列成具有明显晶格特征的三角点阵，而涡旋中的单个细胞以协调有序的方式旋转。单细胞跟踪和数值模拟表明，这种具有跨尺度有序性的涡旋阵列源于单个细胞的表观移动速度随着附近细胞集体运动的有序程度而增加。作者称这一机制为 “自增强流动性”。该工作首次在实验上观测到活性物质的湍流能够自发地演化出稳定有序的涡旋结构，并为理解生命系统和非平衡态物质大尺度有序结构的产生提供了一种新的力学机制。从宏观尺度的多细胞有机体到亚微米尺度的细胞器，生命系统经常会自发产生有序的空间结构。有序空间结构的出现可以区隔细胞质组分或者分化后的细胞群体，在生命系统的代谢和发育过程中起到重要作用。生命系统中有序空间结构的形成机制通常需要化学信号和基因调控来协调细胞行为和分化过程。而在这项工作中，作者提出了一种简单的物理机制，即“自增强流动性”，使得生命物质形成跨尺度的大规模有序空间结构。该机制可能帮助理解细胞质的有序流动以及动物胚胎发育过程中的大规模细胞运动。更普遍地，这一机制适用于处在液体-固体行为边界的其他非平衡活性物质和软物质系统。

该研究获香港研究资助局、国家科技部、国家自然科学基金委员会，以及新基石科学基金会等机构资助。

编辑 | 张可

排版 | 夏天

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《自然》：香港中文大学吴艺林/徐浩然发现生命物质自发产生有序的大尺度涡旋阵列

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