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施夏清副教授的国际合作研究工作在《Nature》杂志上发表

发布时间:2017-05-03 17:44

近日,《Nature》杂志在线发表了中心施夏清副教授作为共同通讯作者的一项国际合作研究工作,题为“Weak synchronization and large-scale collective oscillation in dense bacterial suspensions”。文中报道了一种全新的生物集体运动模式:当成千上万个细菌处于高密度状态时,它们看似杂乱无章的运动之中潜藏着高度有序的集体振荡。这种所谓“弱同步”现象,看起来如同细菌版本的“快闪”运动,向人们展示了一种有趣的多细胞体系集体振荡机制,构成了新颖的有序化活性物质体系。香港中文大学物理系吴艺林课题组领导了该国际合作研究工作,他们的实验发现结合法国CEA-Saclay研究所的Hugues Chaté以及我校施夏清建立的理论模型共同揭示了这种自组织集体振荡现象可能源于局域作用引起的自发对称破缺。

 

这项发现扩展了人们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,并且在诸如胚胎发育、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。生物体系中的集体振荡通常需要在自身具有振荡行为的细胞个体之间建立长程的相互作用,与此截然不同的是,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。

 

细菌所呈现的周期性集体振荡现象代表了活性物质体系中一种新颖的长程有序性,这将会引起物理学和工程学等领域研究者的广泛兴趣。关于活性物质的研究是一个快速发展的交叉学科,它的研究对象包括任何可以利用能量来产生主动运动的物质系统,涵盖从细胞到动物的所有生命体,比如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。此项研究揭示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自组织过程的理解,也有助于针对智能机器设计更有效地去中心化集群控制策略。

 

施夏清副教授长期从事活性物质/自驱动体系的理论研究。目前,关于细胞集体动力学、细胞骨架自组织及活性粒子拓扑缺陷动力学等研究工作已发表在《Nature》、《PNAS》、《Nature Communication》等高水平学术期刊,相关工作长期以来得到了国家自然科学基金以及苏州大学软凝聚态物理及交叉研究中心平台的大力支持。

 

论文链接:

 

http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature20817.html