隔空控制細菌運動？他們做到了！

圖1： 細菌的不同運動狀態（圖片來源：http://biologicalexceptions.blogspot.com/2014/09/bacteria-can-really-get-around.html）

撰文 | 徐達

責編 | 王承志

設備小型化已經成為科技發明的一種趨勢，因而衍生出了各種微系統。由於燃料和電力難以在這樣小的尺度精確工作，而能夠自主運動的細菌便極有可能成為這些微系統的動力來源，但是如何對細菌原本的無序運動加以控制一直是一個難題。前不久，肯特州立大學Oleg D. Lavrentovich研究組通過巧妙地設計液晶的排列方式實現了對枯草芽孢桿菌空間分布、活動軌跡和運動方向的控制，這項研究被發表在《科學》雜誌上。

對於枯草芽孢桿菌這類可以遊動的桿狀細菌，它們通過旋轉鞭毛從而在液體中克服阻力前進，同時細菌也能夠通過暫時將鞭毛彼此分開而使細菌翻滾而控制運動方向。細菌交替的前進與翻滾形成了一種類似布朗運動的無規則運動（見圖1）。

儘管小範圍內彼此靠近的菌體會為了減小阻力而使運動方向趨於一致，但整體上是不存在穩定的秩序性排列的。類似的特點在很多其他系統中也有出現，如魚群、雁群等，我們把它們統稱為「活力物質」，並且它們中的每一個體都能將內部儲存或周圍環境中的能量轉變成協調的群體運動。為了從細菌（或任何其他的活力物質）的混亂動態中獲得有用功，必須了解如何控制它們的空間分布，以及其運動的方向性和運動軌跡的幾何性質。

圖2：像魚群這些活力物質都可以產生秩序性的排列，但這種排列並不穩定。（圖片來源：網路）

Lavrentovich的研究小組將遊動的細菌放置在無毒液晶LCLC（色甘酸二鈉的水分散體）的環境中，通過預處理LCLC被賦予了理想的排列方式。液晶這種流體的阻力性質與方向有關，在液晶中的球體在沿指向矢方向n運動時受到的粘滯阻力最小，這可以作為細菌的一個省力的遊動路徑。在這項工作中，他們通過控制液晶指向矢方向為遊動的細菌提供了「導航」。由於細菌能夠分辨指向矢方向的細微變化，這使得控制細菌在這樣的液晶中的分布成為可能。

圖 3：固體、液晶和液體的區別。固體中微粒具有固定的位置和取向；液晶中微粒位置可以移動，但取向是有序的，呈現各向異性，液晶中某一位置附近很小區域內分子平均取向n稱為指向矢；液體中微粒位置和取向都不固定，各個方向的性質相同。（圖片來源：參考文獻3）

圖 4：液晶的平衡狀態以及形變的三種基本形式：1.展曲，指向矢的取向象扇面那樣展開；2.扭曲，指向矢的取向象螺旋那樣扭轉；3.彎曲，指向矢的取向向一個方面持續彎曲。（圖片來源：參考文獻3）

那麼他們又是怎樣精確控制液晶的指向矢呢？原來，在外力場作用下，液晶指向矢的取向很易發生改變，同時在取消外力場時指向矢又可以恢復原狀。我們將這種指向矢取向的改變稱為液晶的形變。他們通過使用「光鑷」和「光學扳手」實現對液晶內部排列狀態的控制。我們知道，光是由光子組成的，而光子具有動量，因此光照射在物體上，會對物體產生力的作用。「光鑷」可以控制液晶微粒的排布，而「光學扳手」通過一種旋轉的光來實現對液晶的扭轉，這種光具有的螺旋相位（光也是一種電磁波，也具有波的相位等屬性），其中l稱為渦旋的拓撲荷值，它表示相位圍繞中心旋轉一周將改變2πl，也就是說拓撲荷值越大表示光束旋轉越快。通過將液晶錶面包裹一層光感分子迫使液晶微粒取向與其一致，研究人員間接地完成了對液晶指向矢的精確控制。

圖 5：具有螺旋形相位的光束及其拓撲荷值（圖片來源：維基百科）

研究者發現，在只採取彎曲形變的液晶中，細菌沿指向矢雙向遊動，一半向左遊動，一半向右遊動，沒有凈流動。而在只採取展曲形變的液晶中，當處於放射狀展曲構象區域的細菌數量少時，它們自由進出中心區域；但如果細菌數量較多時，它們會聚集成固定化的圓盤狀的群落。這符合Lavrentovich之前的預測。而當他們將細菌置於展曲態和彎曲態混合形成的的渦旋構型時，神奇的事情發生了，細菌由雙向遊動變為單向，整體上按照逆時針方向環繞遊動。但隨著遊動的細菌的數量不斷增加，細菌的運動軌跡開始出現起伏。

圖 6： 兩種採取單一形變的液晶構型（圖A，C）及其中細菌分別的運動狀態（圖B，D）（圖片來源：該論文插圖）

圖7：採取展曲態和彎曲態混合形成的的渦旋構型（圖A）及相應的細菌運動狀態（B，C，D, E，其中C和E圖表示細菌運動方向和速度）（圖片來源：該論文插圖）

研究人員同時還研究了拓撲荷值對於細菌運動的影響，發現細菌圍繞l =1的核心表現出逆時針方向的遊動；他們同時比較了一個具有拓撲荷值l1 = 1/2和l2 = -1/2的液晶中細菌的運動。結果發現細菌傾向於從-1/2處向+1/2處遊動而不是相反方向，所以+1/2處富含細菌而-1/2處缺乏細菌。

圖8：拓撲荷值為1的情況下的液晶構型（A,B）和細菌運動狀態（C,D）（圖片來源：該論文插圖）

圖9：拓撲荷值分別為+1/2和-1/2的情況下的液晶構型（A,B）和細菌運動狀態（C）（圖片來源：該論文插圖）

對於這些實驗現象，Lavrentovich等人也給出了他們的解釋。他們認為細菌運動會產生潛在的液流引起細菌彼此按照指向矢方向的遊動；而當更多的細菌聚集時，軌跡開始出現彎曲的起伏，表明細菌的活動克服了穩定液晶的彈力。他們對這項研究成果將來的應用前景充滿信心，我們也對這種細菌定向操控技術對於動力學材料和系統在未來的應用充滿期待。

參考文獻：

Oleg D. Lavrentovich et al . Command of active matter by topological defects and patterns Science 354 (6314), 882-885.

Yeomans, J. M. Active matter: Playful topology. Nat Mater 13, 1004-1005,

Neal R. Scruggs. Coupling Polymer Thermodynamics and Viscoelasticity to Liquid Crystalline Order:Self-Assembly and Relaxation Dynamics of Block Copolymers in a Nematic Solvent [D] 32-33.

http://biologicalexceptions.blogspot.com/2014/09/bacteria-can-really-get-around.html

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