供稿 香港中文大学吴艺林研究团队

编辑 金庄维

由香港中文大学（中大）的生物物理学者吴艺林带领的国际研究小组最近发现了生物学上一种全新的集体振荡规律。该规律并不需要由自身振动的细胞之间建立长距离联系来产生，与学术界一直理解的生物集体振荡现象截然不同。新发现于2017年2月9日发表于国际科学期刊《自然》，有望为生物医学研究及自驱动活性物质（active matter）的物理研究提供新方向。

（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。

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。中大博士研究生郦野和左文龙也参与了部分工作。他们在细菌悬浮液中发现，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，內里却潜藏着高度有序的集体振荡。这是学术界首次在实验中观察到随机运动的“弱同步”现象，该现象展示了多细胞生物系统中崭新的集体振荡模式。实验结果和数学模型显示，“弱同步”现象可能源于细菌间的微弱耦合（局域相互作用）引起的自发对称性破缺。

稠密的大肠杆菌（E. coli）悬液中的集体振荡现象（视频链接见文末）。（a）细菌的集体运动速度场。（b）两个示踪粒子做周期性运动，反映了细菌的集体振荡。（c）细菌集体振荡的速度。

新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。以往在生物体系中发现的集体振荡现象需要细胞个体自身具有振荡行为，而且通常需要在细胞之间建立长距离的相互作用，而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的单个细菌轨迹进行统计平均之后，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所忽视。由于细菌在自然界或动物体内通常以微生物膜（Biofilm）的形式生存，新研究揭示的周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。

除此以外，新研究亦为自组织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交叉学科，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，由分子马达驱动的亚细胞组分，以及由自驱动单元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。此项研究首次在实验中观察到的随机运动“弱同步”现象将增进人们对非平衡物理系统自组织过程的理解。另外，个体之间的局域相互作用产生群体“弱同步”行为的机制有助于设计新的“去中心化”控制策略，可用于控制机器人集群的行为，即令机器之间只需作局部交流而不需中央控制，有助提升这些机器的效率。

关于香港中文大学生物物理研究团队

吴艺林教授2004年本科毕业于中国科学技术大学，2009年获得美国圣母大学博士学位，随后到美国哈佛大学作博士后研究，2012年加入香港中文大学大学物理系任助理教授。吴艺林教授带领的生物物理实验室以微生物为主要体系，研究从单细胞尺度到宏观菌落生命过程的定量规律或物理机制，具体方向包括多细胞体系的集群运动和自组织行为，细胞之间的长程通讯，细菌对环境压力的耐受性，以及微生物的进化动力学。

参与此项研究的香港中文大学物理系博士生刘松、郦野、左文龙于2014年加入吴艺林教授研究组。刘松本科毕业于西安交通大学，郦野本科毕业于中国科学技术大学，左文龙本科和硕士毕业于中山大学。

相关视频链接：

http://www.phy.cuhk.edu.hk/ylwu/Gallery/E.coli_CollectiveOscillationV2.html

论文基本信息

题目 Weak synchronization and large-scale collective oscillation in dense bacterial suspensions

作者 Chong Chen, Song Liu, Xia-qing Shi, Hugues Chaté & Yilin Wu

期刊 Nature

DOI 10.1038/nature20817

摘要 

Collective oscillatory behaviour is ubiquitous in nature, having a vital role in many biological processes from embryogenesis and organ development to pace-making in neuron networks. Elucidating the mechanisms that give rise to synchronization is essential to the understanding of biological self-organization. Collective oscillations in biological multicellular systems often arise from long-range coupling mediated by diffusive chemicals, by electrochemical mechanisms, or by biomechanical interaction between cells and their physical environment. In these examples, the phase of some oscillatory intracellular degree of freedom is synchronized. Here, in contrast, we report the discovery of a weak synchronization mechanism that does not require long-range coupling or inherent oscillation of individual cells. We find that millions of motile cells in dense bacterial suspensions can self-organize into highly robust collective oscillatory motion, while individual cells move in an erratic manner, without obvious periodic motion but with frequent, abrupt and random directional changes. So erratic are individual trajectories that uncovering the collective oscillations of our micrometre-sized cells requires individual velocities to be averaged over tens or hundreds of micrometres. On such large scales, the oscillations appear to be in phase and the mean position of cells typically describes a regular elliptic trajectory. We found that the phase of the oscillations is organized into a centimetre-scale travelling wave. We present a model of noisy self-propelled particles with strictly local interactions that accounts faithfully for our observations, suggesting that self-organized collective oscillatory motion results from spontaneous chiral and rotational symmetry breaking. These findings reveal a previously unseen type of long-range order in active matter systems (those in which energy is spent locally to produce non-random motion). This mechanism of collective oscillation may inspire new strategies to control the self-organization of active matter and swarming robots.

链接 www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature20817.html

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