위상 전이의 물리와 관련된 소용돌이 박테리아

언뜻보기에 영화는별로 보이지 않았다 : e의 혼란스러운 떼. coli 박테리아는 이런 식으로 무작위로 보이는 페트리 접시에서 무작위로 보입니다. 이러한 장면은 전 세계의 세균학 실험실에서 매일 운임입니다.

그러나 2015 년 물리학 회의에서 영화를 보여준 중국 홍콩 대학교의 대학원생 인 Chong Chen은 놀라운 관찰을 강조했습니다. 식민지가 더 혼잡 해짐에 따라 많은 박테리아 그룹이 갑자기 미묘하지만 매혹적인 방식으로 비 랜덤으로 움직이기 시작했습니다. 수천 개의 박테리아의 움직임이 평균화되었을 때, 그들은 개별 박테리아보다 몇 배 더 큰 규칙적인 타원을 추적했습니다.

프랑스 Cea Saclay의 이론 물리학자인 Hugues Chaté는 세션 후 Chen에게 다가 가서 Chen의 이상한 결과를 설명 할 이론적 도구를 가지고 있다고 말했다. 두 사람은 Chen의 고문 인 Yilin Wu와 함께 팀을 구성했으며 이번 2 월 그들은 Nature 에 종이를 출판했습니다. 개별 박테리아의 조정되지 않은 움직임이 대규모로 동기화 된 진동에 어떻게 추가 될 수 있는지 보여줍니다. 그들은 다른 종과 다른 조건에서 효과를 보여 주었다. Chaté는“이것은 정말 강력하고 일반적인 것입니다. "놀랍고 멋진 현상입니다."

이 연구는 연구원들이 박테리아의 이상한 집단 행동을 탐구하는 방법 중 하나 일뿐입니다. 박테리아 식민지는 동물 무리처럼 움직이는 것처럼 보이는 대규모 소용돌이와 개울을 형성하는 데 자극을 받았습니다. 연구원들은 박테리아를 현대 디스플레이의 액정과 유사한 흐르는 결정으로 조직했습니다. 그리고 박테리아 운동도 작은 기계에 전원을 공급하는 데 사용되었습니다.

과학자들은“Active Matter”라는 초기 필드를 구축하고 있으며, 여기서 개별 단위 간의 상호 작용을 지배하는 간단한 수학 규칙, 각각의 에너지를 활용하고 자체적으로 이동하면 대규모 순서를 일으킬 수 있습니다. 이 접근법은 물 분자가 얼음으로 어떻게 결정화되는지, 원자 스핀이 자석을 형성하기 위해 어떻게 정렬되는지 설명하는 데 큰 성공을 거두었습니다. 물리학 자들은 이제 광대하고 다양한 미생물 세계 에서이 아이디어를 한계로 밀고 있습니다. 그리고 그들은 통계 물리학이 박테리아의 가장 인상적이고 사악한 행동을 설명하는 데 도움이 될 수 있다는 증거가 있다고 생각합니다.

화려한 수중 소용돌이에서 자리를 잡는 어류 학교. 보이지 않는 손으로 안내되는 것처럼 공중에서 지그 깅하고 Zagging의 스타 링 아르마다. 그러한 대량 조정 된 움직임의 기원은 생물학의 가장 매력적이고 지속적인 신비 중 하나를 형성합니다. 20 세기 초의 생물학자는 갑자기 방향을 바꿀 수있는 새들의 능력으로 당황하여 새들이 일종의“그룹 영혼”을 공유 할 수 있다고 생각했습니다.

물리학 자에게 그러한 집단적 행동은 영혼이 아니라 위상 전이를 불러 일으킨다. 온도 또는 압력과 같은 벌크 매개 변수가 특정 값을 증가 시키거나 감소 할 때 수십억 개의 입자에 수십억 개의 입자가 동시에 주문 될 때 발생합니다. 물리학 자들은 모든 다양한 특수성에서 보편적이고 고도로 발달 된 수학적 언어를 공유하기 때문에 위상 전이에 오랫동안 매료되어 왔습니다.

물리학 자들이 전통적으로 자석과 물 사이에서 연구하는“수동적”세상에서 위상 전이의 개념이 등장했지만,이 현상은 조류 나 박테리아 또는 암 세포와 같은“활성”물질에서도 발생할 수 있습니다. 차이점은 동물과 세포가 서로 독립적으로 에너지를 활용하고 사용한다는 것입니다. 이로 인해 반드시 열 평형이 아닙니다. 부다페스트에있는 Eötvös Loránd University의 생물 물리학자인 Tamás Vicsek은 이러한 종류의 위상 전이를 분석하기가 더 어렵지만 그다지 중요하지 않다고 말했다. Vicsek은“지구 표면에서는 거의 모든 것이 Quilibrium입니다. "컴퓨터 없이는 해결할 수 없습니다."

Vicsek은 1995 년에 거의 한 손으로 Active Matter 분야를 시작했습니다. 그는 근처 이웃과 일치하는 경향이있는 움직이는 입자의 구름을 모델링 한 팀을 이끌었습니다. 밀도와 임의의 노이즈 (온도를 나타내는 방법)라는 두 가지 매개 변수를 조정함으로써 그는 입자가 이런 식으로 날아가는 무질서한 상태에서 컬렉션을 뒤집어 입자가 동일한 방향으로 정렬되고 "무리"되는 순서로 컬렉션을 얻었습니다. 다시 말해, 그는 위상 전이를 이끌어 냈습니다. Vicsek의 "플록 킹"모델로 알려진 것은 그의 정의 논문에서 그 용어를 사용한 적이 없지만, 평형 외 시스템의 질서를 설명하기 위해보다 정교한 이론의 폭발을 일으켰습니다.

그러나 이러한 이론을 테스트하는 것은 어렵습니다. 왜냐하면 조작하고 관찰하기 위해 동일한 자체 추진 단위가 필요하기 때문입니다. 물고기와 조류는 말 그대로 자신의 마음을 가지고 있기 때문에 번거로운 실험 과목을 만듭니다. 세포 구조를 제공하는 필라멘트와 같은 세포 성분은 또한 집단 행동을 나타내지 만 분리하고 정제하기는 어렵지만 올바른 특성을 가진 합성 입자는 생산하기 어렵다. 프랑스 국립 과학 연구 센터 및 파리 디데로 로트 대학교의 물리학자인 줄리엔 주도장은 살아있는 박테리아가 타협을 잘해 준다고 말했다. 그들은 음식을 소비함으로써 에너지를 사용하여 에너지를 사용하며, 플래 젤라 ​​또는 기타 수단을 사용하여 스스로 활동하는 속성을 제공하는 속성을 제공합니다. 동시에, 그들은 실험하기에 쉽고, 자라는 자연 환경에서 바다, 토양, 인체.

보너스로서, 많은 박테리아는 적어도 피상적으로 Vicsek의 무리 화살과 비슷합니다. 그들은 종종 막대 모양이며“머리”와“꼬리”가 있습니다. 사실, Vicsek 자신은 박테리아의 집단 운동에 동기를 부여했지만 그의 이름은 이제 새들과 더 관련되어 있습니다. 아마도 그의 1995 년 종이의 그림의 화살이 박테리아보다 새처럼 보이기 때문일 것입니다.

Vicsek의 논문 간행물에 이어 몇 년 동안 실험은 그의 모델이 간단한 인공 설정에서 박테리아 행동을 설명 할 수 있음을 확인했지만, 모델이 본질적으로 박테리아의 완전한 복잡성에 대한 정의를 수행하기에는 너무 간단하다는 것을 보여주었습니다. 텔 아비브 대학교 (Tel Aviv University)의 공동 작업자들과 함께 비스크 자신은 첫 번째 단계를 밟아 두꺼운 한천 층 위에 2 차원 필름에 박테리아를 배치하고 1996 년 논문에 그들이 형성된 소용돌이와 식민지가 자신의 모델과“자연적인 확장”에 의해 설명 될 수 있고 박테리아 화학과 사실을 제시 할 수 있도록“자연적인 확장”에 의해 설명 될 수 있음을 보여 주었다.

그런 다음 2004 년 애리조나 대학교의 물리학자인 Raymond Goldstein과 동료들은 박테리아를 3 차원 액 적으로 배치했으며 나타나고 사라진 제트기와 소용돌이를 관찰했습니다. 이 현상은 방갈로르의 인도 과학 연구소의 이론 물리학자인 Sriram Ramaswamy가 이전에 수행 한 Vicsek 모델에 유체 역학을 추가하여 설명 할 수 있습니다. Goldstein은“우리는 갑자기 깨달았습니다. 우리는 이론이 일어날 일을하는 것처럼 보이는 시스템을 가지고 있습니다.”라고 Goldstein은 말했습니다.

2010 년에 오스틴 텍사스 대학교 (University of Texas)의 물리학자인 Hepeng Zhang (Hepeng Zhang)이 공동으로 한 팀은 영화에서 그룹뿐만 아니라 개별 박테리아의 움직임을 정량화하기 위해 현미경과 이미지 분석 소프트웨어를 사용하여 또 다른 단계를 밟았습니다. 이 연구는 박테리아의 물리적, 화학적 복잡성에도 불구하고, 운동의 대규모 패턴은 단순하고 비스크와 같은 모델로 설명 할 수 있음을 확인했습니다.

그 이후로 Goldstein, Zhang 및 다른 사람들은 박테리아를 이상하고 놀라운 행동으로 동원하는 데 점점 더 능숙 해졌습니다. 현재 케임브리지 대학교 (University of Cambridge)에있는 골드 스타 인 (Goldstein)은 2013 년부터 채널에 박테리아를 제한하는 일련의 논문에서 그들이 흘러 들어올 수있는 단일 방향을 선택할 수 있음을 보여 주었다.이 아이디어를 한 단계 더 발전시켰다. 다른 사람들은 작은 기어를 돌리도록 유도했습니다. 어떤 사람들에게는 이러한 실험은 박테리아 구동 미세 역학 장치의 잠재력을 시사합니다.

현재 중국 상하이 Jiao Tong University에있는 Zhang은 박테리아가 전기장과 같은 외부 영향에 반응하여 개별 유닛이 스스로를 주선하는 물질의 유형 인 액정과 같은 것을 형성하는 데 박테리아를 조종했습니다. 그는 serratia 라는 밀집된 막대 모양의 박테리아 그룹을 노출 시켜서 이것을했습니다. 세포가 분열되는 것을 방지하는 항생제로서, 이들은 정상보다 훨씬 오래 자라게한다 (나중에 자연적으로 길쭉한 다른 박테리아를 발견했다). 결국 식민지는 너무 혼잡하여 박테리아가 정렬되어 흐르기 시작했습니다. 유동장의 특정 지점에서 세포의 정렬이 무너졌습니다. 예를 들어 한 그룹의 세포가 이웃 그룹에 수직 일 수 있습니다. Zhang은 이러한“토폴로지 결함”에서 박테리아가 주변 유체를 밀고 당기는 것을 발견했습니다. 그런 다음이 움직임은 박테리아의 전체 질량이 어떻게 움직이고 정렬되는지를 지시합니다. Ramaswamy를 포함한 이론가들은 그러한 정렬 및 결함이 특정 조건 하에서 활성화 시스템에서 나타날 것이라고 예측했으며, 이들은 마이크로 소관이라고 불리는 막대 형 셀룰러 성분으로 만들어진 결정에서 관찰되었다. 그러나 아무도 살아있는 박테리아에서 그것을 확실하게 보지 못했습니다.

그 의미는 중요 할 수 있습니다. 일반 (수동) 액정은 수십억 달러 규모의 디스플레이 산업을 촉진 시켰으며, 일부 활동적인 물리학 자들은 살아있는 액정이 새로운 기술로 이어질 수 있기를 희망합니다. Zhang은 자신의 창조물을 액정이라고 부를 준비가되어 있지 않으며 적용을 제안하는 것을 망설입니다. "나는 단지 물리학 자"라고 그는 말했다. 연구원들은 박테리아가 기술 응용에 대한 도전을 제시 할 수 있음을 알고 있습니다. 그들은 살아 있어야하며, 기존의 재료와 달리 자발적으로 재생산해야합니다. 펜실베이니아 주립 대학의 물리학자인 Igor Aronson은 하이브리드 활성 패러스 물질을 생성하기 위해 일반 액정에 박테리아를 첨가하고 또 다른 종류의 적용을 제안합니다. 박테리아 액정이 박테리아와 같은 생물학적 물질과 어떻게 상호 작용하는지 시뮬레이션하는 데 도움이 될 수 있는데, 이는 액체 결정과 유사한 특성을 가진 점액과 같은 생물학적 물질과 상호 작용하는 방법을 시뮬레이션 할 수 있습니다.

왜 박테리아가 팀을 이루는 이유

무수한 실험의 발전은 아마도 가장 큰 문제는 무엇입니까? 그들은 박테리아가 생존하고 번식하는 데 도움이됩니까, 아니면 양자 역학의 부산물로 간주 될 수있는 자기와 같은 박테리아의 기본 생물학의 부산물이 있습니까?

물론 박테리아 패턴이 진화의 수공예품을 나타내고 있다고 상상하는 것은 유혹적입니다. Myxobacteria를 연구하는 Princeton University의 생물 물리학 자 Joshua Shaevitz는“물리학 법칙을 통해 본질적으로 무료로 패턴을 얻을 수 있기 때문에 생물학이이를 활용할 수 있다고 생각하는 것은 매력적입니다. "일부 경우에도 많은 경우에도 적어도 부분적으로 이용하고 있습니다."

처음부터 활동적인 발의안은이 사고 라인을 따랐다. Vicsek과 그의 공동 저자는 1996 년 논문에서 소용돌이가 박테리아가 영양소를 집중시키는 데 도움이 될 수 있다고 제안했습니다. 한편 Goldstein의 그룹은 소용돌이가 바이오 필름이라고 불리는 끈적 끈적한 박테리아 매트릭스의 시작 일 수 있다고 제안했습니다. 바이오 필름에서, 대규모 박테리아 그룹은 프리 스티밍 개인에서 훨씬 적은 모바일 집단 상태로 전환 할 수 있습니다. 위상 전이와의 비유는 거의 참을 수 없습니다.

바이오 필름은 생물 의학 연구에서 인기있는 주제입니다. 그들은 자유 스프 미밍 세포보다 훨씬 더 항생제에 저항하며 치료하기 가장 어려운 감염을 일으킬 수 있습니다. 바이오 필름 형성을 설명하고 그것을 예방하거나 방해하는 방법을 찾는 것은 모든 줄무늬의 박테리아 연구자들의 꿈이며, 활성 실험과 바이오 필름 사이의 연결을 제안하는 것은 거의 드리미가되었습니다. 그들의 최근 자연에서 예를 들어, Chaté와 그의 공동 저자는 그들의 진동 e를 썼다. coli 때때로 그들이 관찰 한 신비한 진동과 거의 같은 크기의 패턴으로 바이오 필름 전구체 인 것처럼 보였습니다. "우리가 알지 못하는 깊은 생물학적 중요성은 있지만, 이러한 진동에서 일어나고있는 일이 바이오 필름 상태가 어떻게 자라는 지와 관련이 있다고 확신합니다."

다른 사람들은 능동적 인 개념이 본질적으로 유기체가 실제로 관여하는 행동을 설명한다는 것을 확신하지 못합니다. 활성 물질에서 영감을 얻은 실험은 종종 자연 환경에서 발견되는 것보다 밀도에서 박테리아를 함께 밀어 넣습니다. 박테리아는 바이오 필름을 형성하는 여러 가지 방법을 진화 시켰으며, 그 중 일부는 운동과 관련이 없다고 프린스턴의 생물 물리학자인 Jing Yan은 지적했다. vibrio cholerae 를 사용한 실험에서 , 콜레라, 얀 및 동료를 담당하는 박테리아는 세포를 나눌 때 바이오 필름이 모바일 상태로부터의 위상 전이의 결과가 아니라 고밀도까지 형성된다는 것을 보여 주었다. 그리고 일부 박테리아는 구형이 아니라 막대 모양이 아니므로 정렬에 의존하는 모델은 적용되지 않습니다. Yan은“생물학에서는 각 종이 다릅니다. "우리는 모든 것에 대한 일반적인 모델을 만들려고하지 않습니다."

통계 물리학은 바이오 필름 형성에 대한 설명의 일부를 제공 할 수 있으며, 오스틴 텍사스 대학교의 생물 물리학자인 Vernita Gordon은 덧붙였다. 그녀는“이 박테리아의 활성 속성에 대해서만 생각하면 생물학을 너무 많이 남기고 있다고 생각한다.

샌디에고 캘리포니아 대학교의 분자 생물 학자 인 Gürol Süel은 활발한 연구원들이 인상적인 현상을 밝혔지만“생물 학자들이 더 많은주의를 기울여야 할 것이 있다는 것을 보여주는 것은 물리학 자들에게 달려있다”고 말했다. 즉, 물리학 자들은 최근 바이오 필름에서 박테리아 사이의 전파를 발견 한 전기 신호에 대해했던 것처럼, 박테리아가 생존하고 재생산하는 데 어떻게 도움이되는지 보여 주어야한다는 것을 의미합니다. "패턴을 볼 때마다 패턴에 흥미를 느끼고 즉시 어떤 종류의 의미를 할당하지만… 반드시 그것이 기능적이라는 의미는 아닙니다."

그러나 Chaté는 능동적 인 접근 방식이 생물학을 설명하는 데 더 큰 역할을 할 가능성이 있다고 생각합니다. 우선, 그것은 수백만 개의 세포의 상호 작용을 효율적으로 캡처 할 수있는 방법을 제공하며, 그의 세부 사항은 컴퓨터에서 시뮬레이션하기에는 너무 복잡합니다. "그것이 올 것이다"고 말했다. “무시할 수 없습니다.”

이 분야가 아직 생물 학자들에게 설득력이 없더라도 물리학 자들은 아마도 그것에 계속 몰려들 것입니다. 물리학 자들이 점점 더 살아있는 세계를 받아 들였기 때문에 저널과 물리 컨퍼런스에서 활동적인 논문의 수는 최근 몇 년 동안 튀어 나왔습니다. Chaté, Tailleur 및 그들의 동료들은 초기 자연 주의자처럼 자신을 본다. Darwin 's와 Wallace의 종-카탈로그 원정대에서 유전 적 다양성의 분자 이론에 이르기까지 한 세기가 걸렸 듯이, 그들은이 새로운 여행이 어디로 이어질지 말하기에는 너무 이르다. 그러나 그들은 열매를 맺을 것이라고 확신합니다.

Tailleur는“지금 우리는 탐험하고 있습니다. "두 번째 단계에서, 우리는 어떤 출현 속성을 사용할 수 있는지 알면 생물학을 위해 일할 수 있기를 바랍니다."