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來自公眾號：小柯物理

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香港中文大學物理系的生命物質物理實驗室發現微生物流體可以自發產生穩定有序的渦旋陣列。這一發現為理解生命系統和非平衡態物質中大尺度有序結構的產生提供了一種力學機制。北京時間2024年3月14日，研究在線發表于《自然》。

香港中文大學物理系博士后研究員徐浩然和合作導師吳藝林教授為論文作者。

該研究發現的有序渦旋結構由湍流演化而成。湍流是流體混亂無序的運動，在自然界中普遍存在。除了人們熟悉的發生在江河與空氣中的湍流，冷原子組成的量子流體、活細胞組成的生物流體、甚至星際物質都有湍流現象。湍流的一個重要特征是隨機形成無序的渦旋結構。在該研究中，作者發現，由活細菌組成的生命物質流體（這是一類典型的非平衡態物質或者所謂“活性”物質）能自發地從湍流中演化出穩定有序的渦旋陣列，每個漩渦由約數萬個運動細胞組成。這些渦旋在厘米尺度的空間中排列成具有明顯晶格特征的三角點陣，而渦旋中的單個細胞以協調有序的方式旋轉。單細胞跟蹤和數值模擬表明，這種具有跨尺度有序性的渦旋陣列源于單個細胞的表觀移動速度隨著附近細胞集體運動的有序程度而增加。作者稱這一機制為 “自增強流動性”。該工作首次在實驗上觀測到活性物質的湍流能夠自發地演化出穩定有序的渦旋結構，并為理解生命系統和非平衡態物質大尺度有序結構的產生提供了一種新的力學機制。從宏觀尺度的多細胞有機體到亞微米尺度的細胞器，生命系統經常會自發產生有序的空間結構。有序空間結構的出現可以區隔細胞質組分或者分化后的細胞群體，在生命系統的代謝和發育過程中起到重要作用。生命系統中有序空間結構的形成機制通常需要化學信號和基因調控來協調細胞行為和分化過程。而在這項工作中，作者提出了一種簡單的物理機制，即“自增強流動性”，使得生命物質形成跨尺度的大規模有序空間結構。該機制可能幫助理解細胞質的有序流動以及動物胚胎發育過程中的大規模細胞運動。更普遍地，這一機制適用于處在液體-固體行為邊界的其他非平衡活性物質和軟物質系統。

該研究獲香港研究資助局、國家科技部、國家自然科學基金委員會，以及新基石科學基金會等機構資助。

編輯 |?張可

排版?|?夏天

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《自然》：香港中文大學吳藝林/徐浩然發現生命物質自發產生有序的大尺度渦旋陣列

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《自然》：香港中文大學吳藝林/徐浩然發現生命物質自發產生有序的大尺度渦旋陣列

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