中大生物物理学家首次在细菌中发现新的集体运动规律
为生物医学及活性物质提供崭新研究方向
由香港中文大学（中大）的生物物理学者领导的国际研究小组最近发现了生物学上一种全新集体振荡规律，而该规律并不需要由自身振动的细胞之间建立长距离联繫而产生，与学术界一直理解的集体振荡现象截然不同。该项新发现刚于国际科学期刊《自然》发表，有望为生物医学研究及活性物质的跨学科研究提供崭新方向。
该研究小组由中大博士研究生刘松和陈崇、物理系助理教授吴艺林、法国原子能总署萨克雷研究中心（CEA-Saclay）教授Hugues Chaté以及苏州大学物理系副教授施夏清组成。中大研究团队于细菌悬浮液中发现，当成千上万个细菌处于高度密集状态时，每个细菌看似杂乱无章地运动，内里却潜藏着高度有序的集体振荡规律。这种现象为学术界首次在实验中观察到随机运动的「弱同步」现象，展示了多细胞生物系统中崭新的集体振荡模式。由Hugues Chaté教授及施夏清教授开发的数学模型，配合中大研究团队的实验结果显示，有关的现象可能源于细菌间的局部性相互作用，引发起名为「自发对称性破缺（symmetry breaking）」的物理现象。
这项发现扩展了科学家对于生物体系中自组织现象的认识。周期性集体振荡现象广泛存在于自然界中，并且在胚胎发育、器官生长和神经网络信号同步等许多生物过程中起到重要的作用。过往学术界研究生物体系中的集体振荡需要在自身具有振荡行为的细胞个体之间建立长距离的相互作用(long range coupling)。与之截然不同，此项研究中发现的周期性集体振荡现象并不需要长程相互作用；更重要的是，这一现象中细菌个体行为本身并不存在任何周期性，然而将大量无规则但微弱耦合(weakly-coupled)的单个细菌轨迹统计平均之后，周期性就会浮现出来。换言之，这一现象隐藏在单个细菌的随机行为之中，因而长久以来被人们忽视。细菌在自然界或动物体内通常以微生物膜（Biofilm）的形式生存，此项研究所揭示的週期性集体振荡机制可能影响微生物膜的形成过程和结构。研究团队也期望未来于其他多细胞生长过程中亦找到这独特的振动规律，以进一步了解细胞组织生长的机制，促进生物医学的研究。
此研究除了有助微生物学和生物医学上的发展，亦为活性物质提供崭新的跨学科研究方向。关于活性物质的研究是一个快速发展中的跨学科，它研究任何可以利用能量来产生主动运动的物质系统，包括从细胞到动物的所有生命体，由分子马达(molecular motor)驱动的亚细胞组分(subcellular constituents)，以及由自驱动单元(self-organization of active elements)组装而成的合成材料；这些系统中蕴含的自组织原理可以应用于再生医学、仿生材料和自驱动微纳米器件等领域。此项研究所发现的周期性集体振荡是首次在实验中观察到随机运动的「弱同步」现象，这一发现将增进人们对非平衡物理系统(non-equilibrium systems)自组织过程的理解。此研究发现个体之间的局域相互作用产生群体「弱同步」行为机制，促进非中心集群控制策略可应用于智能机器设计中，即令机器之间只需作个别交流而不需中央控制，有助提升这些机器的效率。
（右起）中大物理系生物物理研究团队：博士研究生刘松、左文龙、郦野和吴艺林教授。
大量细菌杂乱无章的运动之中潜藏着高度周期性。