不簡單！菌落的集體行為，表現一種“社會智慧”的行為

菌落是什麼

正如許多人在學校科學課上看到的那樣，生長在固體表面上的細菌，形成的菌落可以很容易地用肉眼看到。每一個群體都是一個複雜的生物系統；群體表現出集體行為，表明一種“社會智慧”，並以類似雪花的分形模式生長。儘管如此複雜，但菌落生長可以使用基本物理原理進行建模。Lautaro Vassallo和在阿根廷國立de Mar del Plata大學的同事使用一種新方法對這種生長進行了建模。

在這種方法中，每種細菌的行為都是單獨模擬的，其研究現在已經發表在《歐洲物理期刊B》上。細菌菌落從單個細胞中生長出來，所以所有的細菌在基因上都是該原始細胞的相似克隆。

（此處已新增圈子卡片，請到今日頭條客戶端檢視）

Vassallo和研究團隊在計算機上模擬了這種生長模式，同時改變了不同的引數：“生物”引數，如細胞分裂速度和養分的可用性，以及“物理”引數，如相鄰細胞之間的機械力，其研究結果與實驗觀察到的模式非常一致。

在模擬中，就像在自然界中一樣，所有的菌落開始時都是緊湊的圓形斑點，雪花狀的分形圖案出現在較晚階段。研究人員使用多重分形分析技術來描述一種特定型別的細菌運動所產生的模式：滑動。這意味著細菌不會獨立移動，而是透過分割和競爭同一空間，在群體內相互推動。這只是至少六種明確定義的細菌運動型別之一，但它特別重要，因為菌落使用它形成持久和醫學上具有挑戰性的生物膜。

然而Vassallo和同事們希望將技術應用於模擬其他運動型別，甚至模擬菌落內細菌之間的交流。在細菌菌落的生長過程中，根據外部條件和細菌種類不同，在實驗中可以觀察到各種各樣的複雜模式。通常，現有模型採用反應擴散方程系統或由基於規則的生長過程組成，並且僅限於離散晶格。相比之下，研究提出的二維模型是一種非晶格模擬，其中細菌被模擬為剛性圓，而營養物質是點狀的布朗粒子。

透過改變養分的擴散和濃度，研究模擬了與實驗觀察相容的廣泛的形態，從圓形和緊湊到極其分枝的圖案。發現介面中的單元數目與單元總數之間存在比例關係，具有兩個特徵區域。這些制度對應於緊湊和分枝模式，分別為足夠小和足夠大的菌落展示。此外，研究透過分析生長機率的多重分形特性來表徵在結構中觀察到遮蔽效應。

博科園｜研究/來自：Springer

參考期刊《歐洲物理期刊B》

DOI： 10。1140/epjb/e2019-100265-0

博科園｜科學、科技、科研、科普

關注【博科園】看更多大美宇宙科學哦