Spatio-selection in Expanding Bacterial Colonies
种群分离是进化论中的一个关键问题。一个重要方面是空间组织与人口组成之间的关系。在这里，我们研究一个具体的例子-部门在扩大细菌菌落。这些部门是空间分离的突变体亚群。在盘状菌落和分枝菌落中都可以看到扇形。我们使用我们过去用来研究细菌菌落的两个模型来研究这些部门--一个具有非线性扩散的连续反应扩散模型和一个离散的“通信步行者”模型。我们发现，在不断扩大的殖民地，特别是在分支殖民地，隔离过程更有可能比在一个空间上静态的人口。一个这样的过程是建立具有中性突变的稳定子群体。另一个实例是野生型群体与有利突变体的亚群体一起维持。了解细菌菌落中的这种过程本身就是一个重要的课题，也是其他传播种群中类似过程的模型系统。
1998-11-15 comp-gas cond-mat nlin.CG
Non-equilibrium dynamics of bacterial colonies -- growth, active fluctuations, segregation, adhesion, and invasion
具有菌毛自推进机制的细菌群体是研究活性多粒子系统结构和动力学的理想模型。我们研究淋病奈瑟菌菌落的分子动力学为基础的方法。设计了一种通用的、适应性强的模拟具有波动键相互作用的粒子系统的方法。模拟被用来研究细菌菌落的生长和菌落结构对细胞-细胞相互作用的依赖性。在殖民地，菌毛回缩增强当地秩序。对于由不同类型的细胞组成的集落，模拟显示了分离，这取决于不同细胞之间的纤毛介导的相互作用。这些结果与实验观察相符。接下来，我们量化了硅片上菌落形状波动的功率谱密度。模拟预测强烈违反平衡波动响应关系。此外，我们表明，积极的力量产生使殖民地蔓延的表面和入侵狭窄的渠道。该方法可以作为一个基础，为未来的研究活动的多粒子系统在复杂形状的边界。
2022-10-17 cond-mat.soft physics.bio-ph
Pattern engineering of living bacterial colonies using meniscus-driven fluidic channels
工程空间组织的生物膜，创造适应性和可持续的生物材料是合成生物学的一个即将到来的使命。图案化生物膜材料的现有技术受到与高技术壁垒和特殊设备的要求相关的限制。在这里，我们提出了受控的微扰驱动的射流，MeniFluidics;一种易于实施的技术，用于图案化活细菌种群。我们展示了亚毫米分辨率的活菌落和生物膜形成的多尺度图案。依靠液体通道中的快速细菌扩散，MeniFluidics允许在空间和时间上控制各向异性细菌菌落的扩张。该技术也已被应用于研究集体现象，在有限的细菌群集和组织不同的荧光标记的枯草芽孢杆菌菌株到一个收敛的模式。我们相信，MeniFluidics的稳健性和低技术壁垒为开发生物功能材料，生物工程和生物艺术提供了工具，并增加了微生物相互作用的基础研究。
2019-10-27 cond-mat.soft physics.bio-ph
Segmentation of dense and multi-species bacterial colonies using models trained on synthetic microscopy images
针对细菌菌落分割难题，提出利用合成显微镜图像训练机器学习模型，实现密集单物种和多物种菌落的高保真单细胞分割，为定量研究细菌自组织提供新方法。
2024-07-18 physics.bio-ph physics.med-ph
Polymers in Swarming Bacterial Turbulence
我们实验研究了聚合物添加剂对粘质沙雷氏菌在准二维（2D）液膜中集群动力学的影响。我们发现，即使是微量的聚合物（< 20 ppm）也可以显着提高游泳速度，并促进大规模的连贯结构。速度统计表明，聚合物抑制了大的速度波动，将速度分布从超高斯转换为高斯。空间和时间的关联函数表明，聚合物增加的尺寸和寿命的流动结构。能谱在低波数下呈指数衰减，特征长度尺度随聚合物浓度增加而增加。总的来说，这些结果表明聚合物可以介导细菌相互作用并促进致密活性悬浮液中的大规模相干性。
2022-08-05 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Large-scale orientational order in bacterial colonies during inward growth
本研究揭示细菌菌落在封闭区域内向内生长时，速度分布与虚拟约束诱导杆状细菌形成稳定径向取向，且取向缺陷动力学依赖细菌长度。
2021-11-13 cond-mat.soft physics.bio-ph
Phase separation of bacterial colonies in a limit of high degradation. Analogy with Jupiter's great red spot
本文讨论了描述细菌群体趋化性的正则化Keller-Segel模型的平衡态的结构。我们考虑了可以获得分析结果的分泌化学品的高度降解限度。在临界有效温度以下，系统经历从均匀相到非均匀相的二级相变，所述非均匀相由具有均匀浓度的两个畴形成，所述两个畴由薄界面（畴壁）分离。我们研究的接口的属性，并确定之间的分歧的圆形形状（点）和条纹作为控制参数的函数。我们展示了与木星大红斑结构的类比，它也由两个阶段组成，由薄环形喷流分离的均匀位涡。
2006-07-04 physics.bio-ph
Modelling of surfactant-driven front instabilities in spreading bacterial colonies
细菌菌落在固-气界面上的传播取决于所涉及界面的物理化学性质。由细菌产生表面活性剂分子是一种广泛的策略，其允许菌落在基质上有效地扩展。一方面，表面活性剂分子降低了菌落的表面张力，有效地增加了基底的润湿性，这有利于铺展。另一方面，表面活性剂分子的表面浓度梯度导致Marangoni流，其驱动铺展。这些流动可能会导致圆形菌落形状的不稳定性和随后的指状物的形成。在这项工作中，我们研究了细菌表面活性剂的生产和基板的润湿性对菌落生长和形状的框架内的流体动力学薄膜模型的影响。我们表明，在润湿性和表面活性剂生产的变化是足够的复制四种不同类型的菌落生长，这已在文献中描述，即，逮捕和连续传播的圆形菌落，轻微调制前线和形成明显的手指。
2018-03-01 cond-mat.soft physics.bio-ph
Universality in Bacterial Colonies
在过去的二十年里，由细菌菌落生长产生的新兴空间模式一直是物理学研究的焦点。实验和理论研究都使这种菌落可以表现出不同的结构的清晰定性图像成为可能，这取决于它们生长的培养基。然而，对这些模式的定量描述相对较少。在本文中，我们使用了一个详细的模拟框架来测量与硬琼脂基质上的细菌菌落的前进前沿相关的标度指数，旨在辨别系统所属的普适性类。我们表明，殖民地所表现出的普遍行为可以比以前报道的更丰富，我们提出了高达四个不同的子阶段的可能性，在中高营养浓度制度。我们假设，表征这些子阶段之一的淬火无序是细菌竞争有限空间和营养物的生长和分裂的一种新兴特性。
2011-08-09 cond-mat.stat-mech nlin.AO physics.bio-ph
Orientation field model for chiral branching growth of bacterial colonies
我们提出了一个新的反应扩散模型的细菌类芽孢杆菌的菌落的手性分支生长。在我们的模型中，细菌由一个非线性扩散的密度场和一个表示细菌方向的复杂标量场来表示。方向场将各向异性引入细菌的通量中，代表沿着它们的长轴的自我推进。该模型还可以再现同一物种的其他菌株（较短的细菌）的尖端分裂生长。该模型可以捕捉到少量细菌的变化，因此它可以用来研究尖端分裂和手性树枝状生长之间的转变的开放问题。
2000-08-30 cond-mat nlin.PS physics.bio-ph
Morphology and size of bacterial colonies control anoxic microenvironment formation in porous media
厌氧过程（例如，甲烷生成和发酵）在很大程度上有助于元素循环和自然污染物衰减/移动，即使在充分充氧的多孔环境中，例如浅含水层。这种矛盾通常被解释为发生的小规模缺氧微环境所产生的耦合细菌呼吸和异质氧（O2）运输孔隙水。这样的微环境允许兼性厌氧细菌和专性厌氧细菌在有氧环境中增殖。微环境动力学仍然知之甚少，由于直接观察生物量和O2分布在微尺度内的不透明的沉积物和土壤基质的挑战。为了克服这些限制，我们集成了一个微流体装置与透明的O2平面光学传感器，以测量溶解O2浓度和生物量分布的时间行为与延时视频显微镜。我们的研究结果表明，细菌菌落形态，这是高度可变的流动多孔系统，控制缺氧微环境的形成。我们合理化我们的意见，通过一个殖民地规模的Damkohler数比较溶解O2扩散和细菌O2摄取率。我们的Damkholer数能够预测我们系统中缺氧微环境所占据的孔隙空间，并且考虑到细菌组织，它可以应用于3D多孔系统。
2022-11-23 physics.bio-ph
Spatial Awareness of a Bacterial Swarm
细菌也许是最简单的生命系统，能够进行复杂的行为，包括感知和连贯的集体行为，其中一个例子是琼脂表面的群集现象。细菌群集中的两个基本问题是群体中的个体成员收集的信息如何在群体中共享，从而导致协调的群体行为，以及群体的成员资格为其成员提供了哪些特定的优势，以了解他们的环境。在这篇文章中，我们展示了一个显着的例子，集体优势的细菌群，使它能够感觉到惰性障碍物沿其path.Agent为基础的计算模型的swarming显示，独立的个人行为，响应于一个两个组件的信号机制可以产生这样的行为。这是惊人的，因为独立的个体行为，没有任何明确的代理之间的通信被发现是足够的群体，以有效地计算整个群体的信号分子浓度的梯度，并响应它。
2018-06-08 physics.bio-ph
Self-organization of swimmers drives long-range fluid transport in bacterial colonies
细菌通常生活在结构化的群落中，影响人类健康和生态系统。异质种群，如运动和非运动种群，经常共存于细菌群落中。微生物群落中的运动亚群被认为是重要的扩散，寻找食物，和物质运输。然而，除了在运动细胞驱动菌落扩张（例如细菌群集）的情况下，细菌群落中运动亚群的生理功能在很大程度上是不清楚的。在这里，我们发现，在常规培养的无柄菌落的围毛鞭毛细菌的运动细胞可以自我组织成两个相邻的，厘米级的运动环周围的整个殖民地。运动环产生于模仿相分离的均匀游泳者悬浮液的自发分离;该过程由细胞间相互作用和剪切诱导的耗竭介导。作为这种自组织的结果，细胞驱动流体流以大约每秒30微米的恒定峰值速度围绕集落循环，为宏观尺度的定向材料运输提供稳定和高速的途径。这些发现提出了一种独特的细菌自组织形式，影响细菌群落中的种群结构和物质分布。
2019-04-01 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Mechanical interactions in bacterial colonies and the surfing probability of beneficial mutations
细菌聚集体如生物膜和小菌落在自然界中普遍存在，并在工业和医学中发挥重要作用。与微生物研究中常规使用的充分混合、稀释的培养物相反，微菌落中的细菌彼此之间以及与它们所附着的基质之间发生机械相互作用。尽管它们普遍存在，但人们对这种机械相互作用对微生物种群的生长和生物进化的作用知之甚少。在这里，我们使用杆状细胞的微生物菌落的计算机模型来研究细胞之间的物理相互作用如何决定它们在菌落中的运动，这会影响生物进化。我们表明，一个快速增长的突变体的概率“冲浪”在殖民地的边界，并创建一个宏观部门取决于细胞的物理性质（形状，弹性，摩擦）。虽然所有这些因素都以看似不同的方式对冲浪概率做出贡献，但它们最终都通过改变菌落扩展边界的粗糙度和细胞的方向来显示其影响。我们的预测证实了实验中，我们测量的冲浪概率不同的前粗糙度的殖民地。我们的研究结果表明，细菌细胞之间的物理相互作用在新性状的生物进化中起着重要作用，并表明这些相互作用可能与抗生素抗性的从头进化等过程有关。
2017-01-12 physics.bio-ph
Geometry and mechanics of microdomains in growing bacterial colonies
细菌菌落在生物和非生物表面上丰富，并且已知介导生态学，医学和工业中的广泛过程。虽然从单细胞到人口规模进行了广泛的研究，但仍然缺乏全面的生物力学图片，突出了细胞到菌落的动力学。在这里，使用分子动力学模拟和连续建模，我们调查的几何和机械性能的细菌菌落生长在一个自由边界的基板上，并证明，这样一个不断扩大的殖民地自组织成一个“马赛克”的微区组成的高度对齐的细胞。微区的出现是由两个相互竞争的力量介导的：相邻细胞之间的空间位阻力，这有利于细胞排列，以及由于细胞生长而产生的伸展应力，这往往会降低局部取向顺序，从而扭曲系统。这种相互作用的结果在指数分布的域面积和设置成比例的系统取向刚度和extensile主动应力的大小之间的比率的平方根的特征长度尺度。我们的理论预测最后与实验进行了比较，自由增长的E。大肠杆菌小菌落，发现定量协议。
2018-09-13 cond-mat.soft physics.bio-ph
How bacterial cells and colonies move on solid substrates
许多细菌依赖于活跃的细胞附属物，如IV型菌毛，在基质上移动并与邻近细胞相互作用。在这里，我们研究了单个细胞和细菌菌落的运动，由多个菌毛的集体相互作用介导。实验表明，淋球菌细胞的底物运动性可以描述为持续的随机游走，其持续长度超过平均菌毛长度。此外，持久性长度增加的菌毛每细胞的数量更高。一个简单的，易处理的随机模型的帮助下，我们测试是否拔河没有方向记忆可以解释单个淋球菌细胞的持续运动。虽然单细胞的持续运动确实在模型中自然出现，但仅凭拔河并不能解释小菌落的运动性，随着菌落大小的增加，小菌落的运动性变得越来越弱。我们认为小菌落和基质之间的滑动摩擦是缺失的成分。虽然这种摩擦几乎不影响单细胞运动的一般机制，但它对集落运动有很强的影响。我们通过使用三维计算模型，其中包括明确的细节的菌毛动力学，力的产生和几何形状的细胞验证的理论预测。
2019-04-30 physics.bio-ph
Defect dynamics in growing bacterial colonies
杆状细菌的菌落构成了一个胶体活性物质系统，具有抗菌特性。当一个单一的初始细菌通过重复的分裂繁殖时，所产生的菌落很快失去了长距离的取向顺序，但保留了局部有序的结构域。在这些区域的边界上，出现了拓扑缺陷，这些缺陷随着菌落的生长而随机移动。在实验和模拟中，我们发现这些缺陷是以对应于菌落指数增长的速率产生的，从而产生稳定的缺陷密度。这种缺陷密度和菌落的相关长度都由棒状颗粒的纵横比来调节。此外，我们发现，缺陷动态很好地描述了伽马分布，这是由于重复的部门和随后的重新定向的细菌。
2022-10-07 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.PE
Quantitative modelling of nutrient-limited growth of bacterial colonies in microfluidic cultivation
本研究利用微流体培养研究谷氨酸棒杆菌在营养限制下的生长，通过反应扩散模型提取参数并结合基于粒子的模拟预测二维菌落动态生长，模拟与实验结果高度一致，为理解微生物动态生长过程奠定基础。
2018-02-16 physics.bio-ph
Mono-to-multilayer transition in growing bacterial colonies
在细菌菌落中从单层到多层结构的转变是生物膜发育的基本步骤。在不同的形态型和物种中观察到，这种转变在由几百个细胞组成的自由生长的细菌小菌落内触发。使用数值模拟和分析建模相结合，在这里，我们证明了这种转变源于生长诱导的面内主动应力和垂直回复力之间的竞争，由于细胞-基底相互作用。使用一个简单的链状殖民地的横向限制的细胞，我们表明，过渡集时，个别细胞变得不稳定的旋转，因此它是本地化和机械确定性。异步细胞分裂使这个过程随机化，因此控制转变开始的所有关键参数都是连续分布的随机变量。在这里，我们证明了在大细胞数量的限制下，在菌落中的第一次分裂的发生可以近似为泊松过程。这使我们能够近似计算与第一次挤出相关的位置和时间的概率分布函数。这样的泊松过程的速率可以被识别为过渡的序参量，从而突出了其混合确定性-随机性的性质。
2021-03-13 cond-mat.soft physics.bio-ph
Mechanical Interactions Govern Self-Organized Ordering in Bacterial Colonies on Surfaces
Saarland University（萨尔兰大学）
研究通过模拟非运动性应力响应细菌，揭示机械互作用如何决定细菌群落形态和内部组织，发现生长诱导的伸展应力与立体约束竞争，形成高度对齐的微域，且摩擦力增加会减小微域大小并扩大方向多样性。
2026-01-13 cond-mat.soft physics.bio-ph
Reduced adhesion between cells and substrate confers selective advantage in bacterial colonies
在琼脂培养皿上培养的微生物菌落已成为研究空间扩展种群生物进化的模型系统。克隆分离和基因冲浪等过程已被证明受到微生物细胞及其环境之间相互作用的影响。在这项工作中，我们调查的机械相互作用，如细胞表面粘附的作用。我们比较了两株大肠杆菌。大肠杆菌：一种野生型菌株和一种对琼脂粘附较少的“剃毛”菌株。我们表明，剃光的菌株有一个选择性的优势，野生型：虽然两种菌株在液体培养基中以相同的速度增长，剃光的菌株产生的菌落，扩大更快的琼脂。当两种菌株竞争空间时，这使得剃毛菌株的生长超过野生型。我们假设，在一个更常见的情况下，选择性优势的结果，从增加的生长速度，更高的健身剃应变是由减少粘附和摩擦与琼脂表面。
2018-07-09 physics.bio-ph q-bio.PE
Morphogenesis of bacterial colonies in liquid crystalline environments
研究揭示了液晶环境通过弹性作用引导细菌形成对齐链并引发弯曲的形态发生机制。
2025-12-13 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.bio-ph
Motility-induced buckling and glassy dynamics regulate three-dimensional transitions of bacterial monolayers
许多成熟的细菌菌落和生物膜是复杂的三维（3D）结构。他们开发计划中的一个关键步骤是从二维（2D）单层过渡到3D架构。尽管在各种医疗和工业环境中控制微生物菌落和生物膜的生长很重要，但单细胞动力学、密集细胞的集体行为和3D复杂菌落扩增背后的潜在物理机制仍然很大程度上未知。在这项工作中，我们探索背后的机制，运动铜绿假单胞菌菌落的二维到三维的过渡，我们提供了一个新的运动诱导，率依赖性屈曲机制，他们的平面外生长。我们发现，成群的能动的细菌菌落产生持续的面内流动。我们发现，这些流动产生的粘性剪切应力和动态压力，使细胞克服细胞-基质粘附，导致屈曲的细菌单层和生长到第三维。建模细菌单层作为二维流体膜，我们确定了普遍的关系，阐明了在平面内的粘性应力，压力和细胞-基质粘附之间的竞争。此外，我们表明，细菌单层可以表现出从群集到动力学被捕，玻璃样状态以上的发病密度交叉，导致不同的2D到3D的过渡机制。结合实验观察铜绿假单胞菌菌落在单细胞分辨率，分子动力学模拟的活性系统，和理论的玻璃态动力学和二维流体膜，我们开发了一个动态状态图，预测的殖民地的状态，和管理他们的二维到三维的过渡机制。
2020-03-12 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Self-similar dynamics of bacterial chemotaxis
生长在薄琼脂平板上的细菌菌落表现出分形图案，这是适应环境的结果。细菌菌落斑图形成受趋化性的关键调节，趋化性是细胞沿着化学浓度梯度的运动。在这里，在细菌菌落中的斑图形成的动力学进行了理论研究，通过连续模型，考虑趋化性。当细菌感受到的梯度接近均匀时，细菌菌落的模式是自相似的，在每个尺度上看起来都一样。明确揭示了细菌菌落生长的标度律。趋化性使菌落中的细菌种群偏向化学引诱剂的方向运动。而且，细菌菌落作为具有尖锐前沿的行波进化时间长。
2012-12-06 physics.bio-ph q-bio.PE
Lubricating Bacteria Model for Branching growth of Bacterial Colonies
各种细菌菌株（例如属于芽孢杆菌属、类芽孢杆菌属、沙雷氏菌属和沙门氏菌属的菌株）在不良半固体基质上生长期间表现出菌落分支模式。这些模式反映了细菌的合作自组织。合作的核心部分是在琼脂顶部集体形成润滑剂，使细菌能够游泳。因此，它为蚁群提供了向食物前进的手段。一种对菌落发育进行建模的方法是通过耦合的反应扩散方程，该方程描述了细菌密度和相关化学场浓度的时间演变。许多团体都在追求这一想法。在这里，我们提出了一个额外的模型，其中特别包括细菌分泌的润滑剂的演化方程。我们表明，当流体的扩散是由非线性扩散系数分支模式的演变。我们研究的排放率和分解的润滑剂流体上所观察到的图案的效果。结果与实验观测进行了比较。我们还包括领域的趋化剂和食物趋化性，并得出结论，这些功能是必要的，以解释的意见。
1998-09-13 cond-mat nlin.PS patt-sol
Dynamics of pattern formation and emergence of swarming in C. elegans
许多动物在它们的自然栖息地表现出集体运动，并形成复杂的模式来解决环境问题。一些物理和生物因素，如动物运动，人口密度和化学线索，在这一过程中发挥重要作用。然而，很少有人知道感觉信息如何与所有这些因素相互作用，并控制集体反应和斑图形成的动态。在这里，我们使用一个模式生物，秀丽隐杆线虫，研究之间的直接关系，氧传感，斑图形成，并出现在活跃的蠕虫聚集成群。我们发现，当成千上万的动物聚集在食物上时，细菌介导的氧气水平下降会减缓动物的运动，并引发运动诱导的相分离。三个耦合因素细菌积累，好氧性，和人口密度共同作用，并控制斑图形成的动态。通过几个中间阶段，聚集体会聚到大规模的群集阶段，并集体移动穿过细菌菌苔。此外，我们的理论模型捕捉了由遗传变异和氧敏感性引起的行为差异。总之，我们的研究提供了许多物理见解和一个新的平台，调查神经敏感性，集体动力学和斑图形成之间的复杂关系。
2019-06-24 physics.bio-ph
On the growth of non-motile bacteria colonies: an agent-based model for pattern formation
在细菌菌落的生长中，根据外部条件和细菌种类，在实验中观察到各种各样的复杂模式。通常，现有的模型采用反应扩散方程系统或由基于规则的生长过程组成，并且仅限于离散晶格。相比之下，这里提出的二维模型是一个非格子模拟，其中细菌被建模为刚性圆，营养物质是点状布朗粒子。通过改变营养物质的扩散和浓度，我们模拟了各种各样的形态，从圆形和紧凑的非常分支的模式，与实验观察兼容。的比例关系被发现之间的界面中的细胞的数量和细胞的总数，具有两个特征的制度。这些制度对应于紧凑和分支的模式，这是表现出足够小和大的殖民地，分别。此外，我们通过分析生长几率的多重分形性质，验证了在结构中观察到的屏蔽效应。
2019-11-11 physics.bio-ph
A Quantitative Test of Population Genetics Using Spatio-Genetic Patterns in Bacterial Colonies
群体遗传学理论是进化分析的基石，这一点已被广泛接受。然而，由于空间、扩散和进化之间的复杂关系，对该理论的实证检验是具有挑战性的。关键是，我们缺乏对群体遗传学空间模型的定量验证。在这里，我们结合分析，晶格上和晶格外的模拟，以及细菌实验来进行理论的定量测试。我们研究了两种细菌，肠道微生物大肠杆菌和条件致病菌铜绿假单胞菌，并表明，这两个物种的菌落生物膜的空间遗传模式准确地描述了一维的垫脚石模型的扩展。我们使用一个经验性的措施，遗传多样性〈动〉性<动>在殖民地周边，参数化我们的模型，并表明，我们可以准确地预测另一个关键变量：沿边缘的短程细胞迁移的程度。此外，该模型允许我们估计其他关键参数，包括有效种群大小（密度）在扩展边界。虽然我们的实验系统是一个简化的自然微生物群落，我们认为这是一个原则的证明，空间模型的群体遗传学可以定量捕捉生物进化。
2011-10-24 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.PE
Kin-ematic Exclusion in Active Matter: Modelling Mutual Inhibition in \textit{Pseudomonas aeruginosa} Sibling Colonies
Science Department, Roma Tre University（罗马第三大学科学系）；Mediterranean Institute for Advanced Studies, IMEDEA, UIB-CSIC（地中海高级研究所，IMEDEA，巴伊亚群岛大学-西班牙国家科研委员会）
研究通过定量密度测量和最小生物物理模型，揭示了Pseudomonas aeruginosa兄弟群体中相互抑制的机制，发现营养物质耗尽和非致命运动抑制是关键因素。
2026-05-13 physics.bio-ph q-bio.CB
Theory of periodic swarming of bacteria: application to Proteus mirabilis
细菌的周期性群集是由大量有机体的自组织集体行为产生斑图形成的最简单的例子之一。在奇异变形杆菌（最常见的物种表现出这种类型的增长）的壮观的殖民地中，随着细菌的繁殖和群集，一系列同心环会发展成周期性重复的场景。我们已经开发了一个理论描述这个过程，以便更深入地了解一些典型的过程，在许多相互作用的生活单位的系统中的现象。我们所有的理论结果都与完整的可用观测结果在定量上非常吻合。
2000-07-28 physics.bio-ph q-bio
Confinement inhibits surficial attachment and induces collective behaviors in bacterial colonies
本研究利用新型成像与计算分析技术，发现2D空间限制会抑制铜绿假单胞菌的永久附着并诱导颤动运动性，进而引发多种共存的集体行为，如动态细胞层和集体垂直化，从而影响细菌入侵空间及菌落3D结构。
2025-10-31 cond-mat.soft physics.bio-ph
Inclined surfaces bias bacterial swarming expansion and edge organization
Global College, Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学全球学院）；School of Physics, Georgia Institute of Technology（佐治亚理工学院物理学院）；Department of Mechanical Engineering, Johns Hopkins University（约翰霍普金斯大学机械工程系）；Intelligent Medicine Institute, Shanghai Medical College, Fudan University（复旦大学上海医学院智能医学研究所）
本研究通过倾斜琼脂表面探究重力方向对细菌集群扩张的影响，发现扩张呈非单调依赖，并通过扩展两相薄膜模型揭示切向与法向重力分量的不同作用机制。
2026-10-06 cond-mat.soft physics.bio-ph
Substrate stiffness governs dynamics and self-organization of nascent biofilms
本研究结合实验与生物力学建模，探究不同刚度软基底上细菌固着菌落的扩张与自组织，揭示基底刚度对菌落结构、动力学及单层-多层转变的调控机制，为理解生物膜形成提供生物力学视角。
2025-08-01 cond-mat.soft physics.bio-ph
Cauliflower shapes of bacterial clusters in the off-lattice Eden model for bacterial growth in a Petri dish with an agar layer
本研究开发了模拟培养皿三维细菌菌落生长的非格点Eden模型，验证并扩展模型后，揭示了细菌簇的形态、密度等特性与营养层高度的关系及分形性质，还估算了菌落的输运特性。
2024-12-11 physics.bio-ph physics.comp-ph
Topological defects in multi-layered swarming bacteria
本研究实验观察多层集群细菌中的拓扑缺陷，验证二维向列相理论适用性，发现层间强耦合及缺陷电荷密度超均匀性，抑制长程密度涨落。
2024-03-19 cond-mat.soft physics.bio-ph
Immobility of isolated swarmer cells due to local liquid depletion
针对细菌群游中孤立细胞不移动而细胞簇可移动的现象，本研究揭示低局部细胞密度下孤立细胞暂时无法移动与局部液体耗尽及鞭毛束散开相关，指出忽略流体动力学效应的干模型不足以描述群游细菌。
2024-11-26 cond-mat.soft physics.bio-ph
Collective motion and nonequilibrium cluster formation in colonies of gliding bacteria
我们在实验中的细胞运动的特点，并表明，过渡到集体运动的滑翔细菌细胞局限于一个单层的殖民地出现通过组织的细胞成更大的移动集群。集体运动的非平衡团簇形成检测的临界细胞包装分数约17%。这种转变的特点是无标度的幂律团簇尺寸分布，与指数$0.88\pm0.07$，并出现巨大的数字波动。我们的研究结果是在定量协议与模拟自推进棒。这表明细菌的自推进和细菌的杆状的相互作用足以诱导集体运动。
2013-02-01 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Front structure and dynamics in dense colonies of motile bacteria: Role of active turbulence
我们研究了一个细菌菌落的传播经历湍流一样的集体运动。我们提出了两个最低限度的模型来研究人口增长和湍流产生的相干结构之间的相互作用。利用直接数值模拟（DNS）的建议的模型，我们发现，湍流有两个突出的影响殖民地的空间增长：（a）前的速度提高，（b）前变得皱巴巴的。这两种效应，我们强调使用统计工具，在我们的两个模型中是显着不同的。我们还表明，在某些制度下，在随机流的褶皱前结构和被动标量锋。
2016-08-03 cond-mat.soft nlin.CD physics.bio-ph
Non-universality of front fluctuations for compact colonies of non-motile bacteria
在培养皿上生长的紧凑细菌菌落的正面是著名的伊甸园或Kardar-Parisi-Zhang（KPZ）普适类中非平衡波动的典型实例。虽然在许多实验中，标度指数与预期的KPZ值有很大的不同，但这种分歧的来源仍然知之甚少。我们用B. subtilis 168和E.大肠杆菌ATCC 25922在导致紧凑的菌落的条件下，在经典的所谓的伊甸园制度，其中个体运动性被抑制。非KPZ标度确实观察到所有可访问的时间，KPZ渐近被排除在我们的实验中，由于前分支随时间的单调增加。一个有效的模型的模拟表明，由于扩散形态的不稳定性，同意从相关的生物反应扩散过程的详细模型的预期发生的瞬态非普遍缩放。
2018-07-05 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Active depinning of bacterial droplets: the collective surfing of Bacillus subtilis
系统如何被赋予迁移能力是一个迷人的问题，其影响范围从新颖的活性系统的设计到微生物种群的控制。细菌可以在各种环境中找到，在微观和集体水平上都发展出了最丰富的运动机制。在这里，我们通过实验揭示了一种新的模式，集体细菌运动在潮湿的环境中，通过细菌液滴的脱钉。虽然毛细作用力是出了名的巨大的细菌规模，甚至能够钉在倾斜的表面上的毫米大小的水滴，我们表明，细菌能够利用各种机制来解开接触线，从而诱导整个表面的殖民地集体滑动。相反，鞭毛依赖的迁移模式，如蜂拥而至，我们表明，这种更快的“菌落冲浪”仍然发生在突变株的\textit{Bacillus subtilis}缺乏鞭毛。在我们的实验中看到的主动解钉依赖于各种微观机制，每一个都可能在潮湿环境中微生物的迁移中发挥重要作用。
2017-06-30 cond-mat.soft physics.bio-ph
Fluid dynamics and noise in bacterial cell-cell and cell-surface scattering
从基因表达到运动和生物膜形成的细菌过程不断受到内部和外部噪音的挑战。虽然随机波动的重要性已被赞赏的趋化性，目前认为，确定性的长程流体动力学效应支配细胞和细胞表面散射-的基本事件，导致群集和集体游泳的主动悬浮液和生物膜的形成。在这里，我们报告的第一个直接测量的细菌流场产生的个别游泳大肠杆菌远离和接近固体表面。这些实验使我们能够研究细菌的流体动力学和旋转扩散的相对重要性。对于细胞-细胞的相互作用，它表明，热和内在的随机性淹没了远程流体动力学的影响，这意味着细菌之间的物理相互作用是由空间碰撞和近场润滑力。这种短程力的优势将细菌悬浮液中的集体运动与驱动颗粒系统、生物丝组合和动物群中的自组织紧密联系在一起。对于细菌与表面的散射，长程流体动力学相互作用也被证明是可以忽略不计的碰撞之前，然而，一旦细菌沿着表面游泳在几微米内对齐碰撞后，流体动力学效应可以有助于实验观察到的，长的停留时间。由于这些结果纯粹基于机械性能，因此适用于广泛的微生物。
2011-07-12 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Emergence of bacterial glass
本文利用膜基微流控装置培养均匀生长的准二维大肠杆菌，发现密度升高时运动细菌经取向冻结和完全玻璃化两步形成活性杆状玻璃，并揭示其异于热玻璃的动态特征。
2024-06-17 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Emergent pattern formation in an interstitial biofilm
细菌菌落的集体行为在适应性、存活性、生物膜扩张和感染中起着关键作用。我们采用基于个体的模型的间质生物膜研究紧急斑图形成的基础上的假设，杆状细菌沟通过粘性环境，并分泌细胞外聚合物的物质，偏置其运动速率。由于细菌在其环境中犁沟，因此基质刚度是形成不同形态模式背后的关键控制参数。通过系统地改变这种性质（我们用刚度系数γ来量化），我们表明，底层刚度的细微变化可以产生一个稳定的状态，其特征在于高度的局部有序性和长程斑图形成。有序状态表现出典型的与细菌适应性优势相关的特征，即使它是由环境条件的变化而不是生物学参数的变化引起的。我们的研究结果适用于广泛的生物膜，并提供了深入了解细菌运动与其环境之间的关系，以及生物物理系统自组织背后的基本机制。
2016-12-15 cond-mat.soft nlin.AO physics.bio-ph
Spatially-resolved Fluorescence-detected Two-dimensional Electronic Spectroscopy Probes Varying Electronic Couplings in Photosynthetic Bacteria
我们提出了一种变化的二维电子光谱，能够映射空间变化的差异，在电子耦合使用相关的地图的激发和检测频率，灵敏度的数量级优于传统的空间平均电子光谱。该方法在显微镜中进行基于荧光检测的完全共线二维电子光谱，结合飞秒时间分辨率，亚微米空间分辨率和荧光检测的灵敏度。我们证明了光合细菌的混合物，已知表现出的电子结构与生长条件的变化的方法。混合细菌菌落的构成中的空间变化表现为在所测量的二维等高线图中的空间变化的峰强度，其表现出细菌蛋白的激发电子态之间的良好分辨的电子耦合。
2018-02-17 physics.bio-ph physics.chem-ph
Quorum Sensing as a long-range interaction for bacteria growth and bioluminescence
本文研究群体感应（QS）对细菌生长和生物发光的调控作用，针对Vibrio harveyi提出三自诱导物长程相互作用模型，通过对比模拟与文献数据，揭示了液体培养与HA底物上菌落生长差异及自诱导物的协作机制。
2023-04-21 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.QM
Rectification of Twitching bacteria through narrow channels: A numerical simulations study
生活在表面上的细菌使用不同类型的运动机制在表面上移动以寻找食物或形成微菌落。抽搐是一种由细菌如N.淋病，其中称为IV型菌毛的聚合物延伸物介导其运动。从细胞体延伸出来的菌毛附着在表面，通过收缩来拉动细菌。细菌的运动取决于附着在表面的菌毛之间的二维拔河。这些微型爬行动物居住的自然表面通常在空间上是不均匀的，并且具有不同的表面特性。已知它们的运动性受表面形貌的影响。因此，可以通过设计可潜在地用于控制生物膜结构的结构化表面来控制细菌移动。在本文中，我们数值研究了二维波纹通道中的抽搐运动。细菌的运动是由两种不同的模型模拟：（a）详细的拔河模型，广泛描述的抽搐运动的细菌菌毛和（b）粗粒度的运行和翻滚模型，描绘了广泛的自推进粒子的运动。使用上述模型模拟细菌通过非对称波纹通道的运动显示了校正。细菌的传输取决于通道的几何参数和固有的系统参数，如持续长度和自推进速度。特别地，粒子电流随微通道的几何参数的变化表明，可以针对这些参数的特定值来优化粒子电流。
2020-04-02 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Biofilm mechanics and patterns
本文通过弹性杆和板模型结合生物量生长与环境约束，重现了生物膜在流体和空气/固体界面的不同形态，并探讨了孔隙弹性方法描述生物膜类流体与类固体行为的适用性。
2024-01-10 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Tilt-induced polar order and topological defects in growing bacterial populations
杆状细菌，如大肠杆菌，通常生活形成土堆状菌落。它们最初在表面上二维生长，最终实现三维生长。虽然最近有报道称，三维生长是由运动细菌种群中缠绕数$+1/2$的拓扑缺陷促进的，但细胞排列在非运动情况下如何发挥作用在很大程度上是未知的。在这里，我们调查的相关性，拓扑缺陷的菌落形成过程中的非运动E。大肠杆菌群体，并发现这两个$\pm 1/2$拓扑缺陷有助于三维生长。通过分析集落底层的细胞流动，我们观察到在集落生长的初始阶段，$+1/2$缺陷吸引细胞，而$-1/2$缺陷排斥细胞，这与以前对运动细胞的研究一致。然而，后来，细胞也逐渐流向$-1/2$缺陷，与现有知识形成鲜明对比。通过共聚焦显微镜研究三维细胞取向，我们发现缺陷附近的细胞有很强的垂直倾斜。至关重要的是，这导致了极性顺序在其他二维细胞取向中的出现。我们扩展了活性向列相的理论，将此极性顺序和垂直倾斜，这成功地解释了涌入$-1/2$缺陷的极性诱导力。我们的工作表明，三维细胞取向可能会导致活性向列相的性质，特别是那些拓扑缺陷，这可能是一般相关的活性物质系统驱动的细胞生长，而不是自推进的急剧变化。
2022-07-19 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Bacterial proliferation pattern formation
本研究针对细菌高细胞密度条带形成机制不明的问题，通过延时成像量化其时空精度，发现条带形成具有模块化特征，结合理论模型与基因修饰实验验证了代谢状态和pH梯度的作用，提出该现象可作为研究细胞异质环境响应的模型系统。
2025-01-16 nlin.AO nlin.PS physics.bio-ph
Migration of chemotactic bacteria in soft agar: role of gel concentration
我们研究了在浓度范围C = 0.15-0.5%（w/v）的半固体（软）琼脂中趋化性野生型大肠杆菌种群的迁移。对于C <0.35%，扩增的细菌菌落显示出特征性的趋化环。然而，在C = 0.35%时，细菌以宽的环形带而不是尖锐的环迁移。这些是生长/扩散波，因为抑制由琼脂的趋化性，并没有以前的实验报告，以我们的知识。对于C = 0.4- 0.5%，扩增菌落不跨越琼脂的深度，并产生明显的前沿不稳定性。在C <0.25%时，迁移前沿速度对琼脂浓度的依赖性较弱，但在此值以上时急剧下降。我们讨论了这些意见，在一个扩展的凯勒-西格尔模型，我们推导出新的传输参数表达式占扰动的趋化反应与琼脂的碰撞。该模型使得有可能适合所观察到的前速度衰减的范围C = 0.15- 0.35%，其解决方案定性地再现所观察到的从趋化性到生长/扩散带的过渡。我们讨论了多孔介质中的细菌的研究和改进的细菌趋化性测定的设计，我们的研究结果的影响。
2011-08-06 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Study of the Effects of High-Energy Proton Beams on Escherichia Coli
抗生素耐药细菌感染成为当今公共卫生保健最严重的风险之一。然而，令人沮丧的是，在过去十年中，新抗生素的开发进展甚微。因此，迫切需要寻找治疗耐药菌的替代方法。新的方法，其中包括光热疗法的基础上的金纳米材料和电离辐射，如X射线和γ射线，已被报道。高能质子辐射对细菌的影响研究主要集中在芽孢杆菌及其芽孢上。研究了质子束对大肠杆菌（Escherichia coli，E.大肠杆菌）的报道有限。大肠杆菌是获取代谢和遗传信息的重要生物学工具，也是研究毒性和抗菌活性的常用模式微生物。此外，E.大肠杆菌是哺乳动物肠道内常见的细菌。本文对E.大肠杆菌的质子辐照。细胞的稀释溶液用于质子束辐射。LB琼脂平板用于计数形成的菌落数。通过600 nm处的光密度监测细胞的生长曲线。光学显微镜下观察细胞形态学变化。微阵列分析检测辐照样品和未辐照对照样品之间的基因表达变化。
2015-07-17 physics.bio-ph q-bio.BM
