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
Critical mass of bacterial populations and critical temperature of self-gravitating Brownian particles in two dimensions
我们证明了二维细菌群体趋化问题的临界质量M_c=8π与二维自引力布朗粒子的临界温度T_c=GMm/4k_B是对应的。我们利用维里定理或考虑Keller-Segel模型和Smoluchowski-Poisson系统的定态解得到这些临界值。我们还考虑一维系统的情况下，并开发与Burgers方程的连接。最后，我们讨论了系统作为M或T的函数在有界和无界域的D=1，2和3维的发展，并显示每个维度的特殊性。本文旨在指出细菌种群，自引力布朗粒子和偶尔的二维涡旋之间的许多相似之处。
2007-06-25 physics.bio-ph q-bio.CB
Hydrodynamic flow and concentration gradients in the gut enhance neutral bacterial diversity
肠道微生物群具有重要的遗传多样性，肠道的特定空间特征可能会影响该环境中的进化。我们研究了中性细菌突变体在肠道的极小模型内的固定概率，该模型包括流体动力学流动和由此产生的食物和细菌浓度梯度。我们发现，这种固定的概率大大增加相比，一个等效的良好混合的系统，在该制度的食品和细菌浓度的档案是强烈的空间依赖性。固定概率，然后成为独立的总人口规模。我们表明，我们的结果可以通过引入一个活跃的群体来合理化，该群体由那些积极消耗食物和分裂的细菌组成。活性群体大小产生肠道中中性突变体固定概率的有效群体大小。
2021-11-22 physics.bio-ph
Dynamics of adaptive immunity against phage in bacterial populations
CRISPR（成簇的规则间隔短回文重复序列）机制允许细菌通过获得靶向病毒基因组中特定序列的短基因组序列（间隔区）来适应性地防御病毒。我们提出了一个种群动力学模型，免疫力可以获得和失去。该模型预测的制度，细菌和噬菌体种群可以共存，其他人的人口表现出阻尼振荡，还有其他人的人口被驱动到灭绝。我们的模型考虑了两个关键参数：（1）易于获取和（2）赋予免疫力的间隔区有效性。分析计算和数值模拟表明，如果间隔区的差异主要在于容易获得，或者如果获得它们的概率足够高，则细菌会产生不同的间隔区群体。另一方面，如果间隔物主要在其有效性方面不同，则其最终分布将达到高峰，类似于“赢者通吃”的情况，导致专门的间隔物分布。细菌可以通过主动调整它们的总体获取概率来在这些限制行为之间进行插值。
2017-05-24 physics.bio-ph q-bio.PE
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
Spatial structure facilitates evolutionary rescue by drug resistance
研究通过最小空间结构模型发现，空间结构能提升耐药突变体在小种群中的局部固定概率，从而促进细菌种群在抗生素作用下的进化救援，且该结论适用于复杂结构和初始含耐药菌的情况。
2024-12-20 physics.bio-ph q-bio.PE
Stochastic study of information transmission and population stability in a generic bacterial two-component system
基于双组分系统的机制，单克隆细菌群体中波动在信号传播中的作用和基因调控的研究已被广泛地追求。细菌双组分系统通过其固有的可塑性显示出噪声利用。在基因调控过程中，利用磷酸转移模块和反馈机制发生波动传播。为了精细地观察噪声动力学，需要在mRNA和蛋白质水平上对通用级联进行随机研究。为此，我们提出了一个理论框架，调查在一个通用的两个组件系统的噪声信号转导。该模型通过量化几个统计指标来显示信息传输的可靠性。我们进一步扩展我们的分析，以观察细胞群体中的蛋白质分布。通过数值模拟，我们确定的动力学参数集，产生一个稳定的开关在蛋白质的稳态分布的制度。我们的理论分析结果显示了网络的关键特征。自动调节模块的噪声渗透和信息传播能力较弱。然而，磷酸转移模块弥补了这一弱点，并在信息传递中发挥了重要作用。由于波动的双峰性纵容了等基因细菌池中持久性的出现。
2017-01-09 physics.bio-ph q-bio.MN q-bio.SC
Localization and extinction of bacterial populations under inhomogeneous growth conditions
细菌、病毒和其他病原体从局部传播到全身传播的转变是一个跨越医学、生态学、生物学和农业科学的基本问题。我们在一个简单的一维系统中进行了实验和模拟，以确定在外部对流的影响下，在非均匀环境中发生的细菌种群的传播。我们的系统由一个长通道组成，除了在一个小的“绿洲”中，它被屏蔽了紫外线外，均匀的紫外线照射抑制了生长。为了模拟经过局部感染的血液流动或其他流动，绿洲以恒定的速度移动通过紫外线照射的“沙漠”。实验模拟与对流反应扩散方程。在实验和模型中，局部或灭绝的种群被发现，根据条件，从最初的局部种群发展。该模型还得出了各地人口增长的状态。此外，该模型揭示了本地化，扩展和灭绝状态之间的过渡是连续的和非滞后的。然而，它并没有捕捉到实验中观察到的局域布居的振荡。
2003-10-24 physics.bio-ph q-bio.PE
Front-propagation in bacterial inter-colony communication
许多细菌物种交换信号分子以协调整个种群的反应。对于这个被称为群体感应的过程，各个分子的浓度是至关重要的。在这里，我们考虑空间分布的细菌菌落之间的相互作用，使信号分子在空间中的传播变得重要。信号产生群体的指数增长和信号分子产生的相应增加导致以均匀速度传播的指数浓度分布。不同菌株的土壤细菌Sinorhizobium meliloti，显示荧光时，无论是生产或响应信号分子的实验支持的理论预测。
2018-09-13 nlin.PS 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
Role of Non-Exponential Reversal times in Aggregation Models of Bacterial Populations
该研究针对细菌种群聚集问题，通过拟合Gamma分布表征粘细菌滑行时间，数值分析发现非指数反转时间可促进聚集并形成更紧密聚集体，指出其对复现实验数据的重要性。
2024-11-04 physics.bio-ph q-bio.CB
Steady state running rate sets the speed and accuracy of accumulation of swimming bacterial populations
我们研究了一群遗传上相同的游泳细菌的趋化性，这些细菌经历由鞭毛旋转系统的顺时针和逆时针旋转之间的随机切换驱动的运行和翻滚动力学。定量地理解趋化性需要将趋化剂/排斥剂梯度中的旋转系统的切换速率与细菌种群在梯度上向上/向下移动的效率的实验测量相联系。在这里，我们通过使用概率模型来实现这一点，并表明种群对梯度的响应是复杂的。我们发现表型的变化（在没有梯度的情况下的稳态转换率）影响响应的平均速度以及分布的宽度，必须考虑到这两个因素来优化复杂环境中群体的整体响应。这是由于分布的“尾部”中的个体的行为。因此，我们表明，对于趋化性，非典型个体的行为可以对种群的适应性产生重大影响。
2020-07-16 physics.bio-ph q-bio.CB
Mutation rate variability as a driving force in adaptive evolution
突变率是进化速度和结果的关键决定因素，在不同的情况下，该速率的变异性已被证明在选择压力引起的胁迫下的进化适应和抗性进化中发挥关键作用。在这里，我们调查的动态阻力固定在细菌种群与变量突变率，并表明，进化的结果是最敏感的突变率变化时，人口受到环境和人口条件，抑制高健身亚群的进化优势。通过将生物物理适应度函数直接映射到种群的系统级动态，我们表明，抗生素形式的低和非常高的压力水平（但不是中间水平）会导致超突变对抗性固定的不成比例的影响。我们证明了这种行为是如何直接联系到系统中的遗传搭便车的程度，高突变率细胞通过与高适应度突变的传播。我们的研究结果表明，突变率的灵活性在抗生素耐药性的演变条件下，呈现一个弱的优势，野生型耐药细胞的实质性作用。
2019-02-03 physics.bio-ph q-bio.PE
Extreme value statistics of mutation accumulation in renewing cell populations
细胞群体中主要表型的出现通常是由单个细胞中罕见的DNA突变积累引发的。例如，肿瘤可以由单个细胞引发，其中多个突变合作绕过细胞的防御机制。因此，这种事件的风险取决于组织细胞突变的极端累积。为了解决这一风险，我们研究了一个通用的，但经过测试的，更新的细胞群体模型的最大突变数的统计。通过绘制细胞群体的系谱和分支随机游走理论之间的类比，我们获得了超过突变阈值数量的概率的分析估计，并确定最大突变数量的统计分布如何随年龄和细胞群体大小而变化。
2017-10-11 physics.bio-ph physics.data-an q-bio.PE
Rare beneficial mutations can halt Muller's ratchet
绝大多数突变是有害的，并通过净化选择消除。然而，在有限的无性种群中，净化选择不能完全防止由于穆勒棘轮而积累的有害突变：一旦被随机漂移所丢失，最适合的基因型就永远丢失了。如果有害的突变被弱选择，穆勒的棘轮变成一个突变的“崩溃”，导致人口的适应性迅速下降。显然，无性种群的长期稳定需要有益突变的流入，以持续补偿弱有害突变的积累。在这里，我们提出，在一个静态的环境中，一个群体的稳定的进化状态是一个动态的突变选择平衡，有害突变的积累是平均抵消流入的有益突变。我们认为，这种状态存在于任何人口规模N和突变率$U$。假设有益突变和有害突变具有相同的适应度效应s，我们计算维持平衡状态的有益突变的比例ε。我们发现一个令人惊讶的低ε足以维持稳定性，即使在小群体中，面对高突变率和弱选择。这可能解释了线粒体和其他无性基因组的维持，并对这些种群中遗传多样性〈动〉性<动>的预期统计数据产生影响。
2011-10-13 physics.bio-ph q-bio.PE
All in one: holographic microscopy unveils bacterial transport from single cells to population
Université de Lorraine（洛林大学）；CNRS（法国国家科学研究中心）；EPHE（巴黎高等研究实践学院）；PSL（巴黎文理研究大学）
本研究利用全息显微镜分析细菌在受限流体中的运动，揭示了细菌从单细胞到种群的运输机制及空间分布特性。
2025-12-12 physics.bio-ph
Substrate geometry affects population dynamics in a bacterial biofilm
本研究通过实验和模型揭示基底表面形状可调控生物膜内遗传漂变与选择，为通过表面图案化控制微生物进化提供新策略。
2023-08-30 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.PE
Rheotaxis of chiral bacteria: from single-cell behavior to a population-level description
由于它们的形态，悬浮在介质中的细菌的动力学可以表现出复杂的行为。在存在剪切时，游动细菌经历垂直于剪切平面的漂移。这种漂移，称为趋流性，在这里研究半解析，数值和实验。我们发现细菌的方向和细菌的速度对剪切速率的依赖性，在存在旋转扩散。这使我们能够表明，垂直于剪切的细菌漂移速度主要是由于细菌推进，而不是趋流力。通过比较细菌的漂移速度和扩散速度，可以得出佩克莱数的定义。的趋流性的效果增加的剪切，达到一个平台，在非常大的Péclet数，在良好的协议与实验中进行的微流体液滴的趋流性。
2022-03-17 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Various phases of active matter emerging from bacteria and their implications
The University of Tokyo（东京大学）；Institute of Science Tokyo（东京科学大学）
本文探讨细菌群体作为活性物质模型系统，分析其不同相态及对物理和生物学的启示，重点介绍活性气体、液体、玻璃和液晶态，并讨论未来研究方向。
2026-10-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Cost and benefits of CRISPR spacer acquisition
CRISPR-Cas介导的细菌免疫力使细菌群体能够保护自己免受病原体的侵害。然而，它也通过发展针对自身基因组的保护使它们暴露于自身免疫的危险。使用噬菌体和细菌种群耦合动力学的简单模型，我们探索了获取率如何影响细菌菌落的存活率。我们发现，最优策略依赖于病毒和细菌的初始种群大小。此外，由于不断发展的群体大小之间的动态平衡，获取和动态速率以及初始群体大小的某些组合保证了保护，而不依赖于病毒间隔区的获取。在这种制度之外，自身免疫的高成本限制了获得率。我们讨论这些最佳的生存策略，在最近的实验。
2018-11-08 physics.bio-ph q-bio.PE
Phenotypic-dependent variability and the emergence of tolerance in bacterial populations
生态和演化动力学在历史上被认为是在广泛分离的时间尺度上展开的。然而，这两种类型的过程现在被很好地记录下来，比传统上认为的要紧密得多，特别是在微生物群落中。考虑到这一动机，我们在这里仔细研究了最近的实验结果，这些结果表明，在实验室条件下定期暴露于抗生素应激的细菌种群中，由于滞后而导致耐受性迅速进化。特别地，单电池滞后时间的分布演变其平均值以近似地拟合曝光时间。此外，分布发展右偏重尾，揭示了存在的个人与巨大的滞后时间。在这里，我们开发了一个吝啬的基于个人的模型，模仿实验设置的实际人口统计过程。个体的特征在于一个单一的表型性状：其内在的滞后时间，这是通过变异传递给后代。该模型（在一个版本中，表型变异的幅度随着亲本滞后时间的增长）能够很好地再现关键的经验观察。此外，我们开发了一个通用的数学框架，使我们能够很好的精度描述的随机模型的性质，通过宏观方程，它概括了乌鸦木村方程在群体遗传学。从更广泛的角度来看，这项工作代表了一个基准的数学框架，旨在解决更一般的生态进化问题，从而铺平了道路，进一步的研究途径。
2021-10-06 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.PE
Feeding ducks, bacterial chemotaxis, and the Gini index
关于鸭群在分散的食物来源周围分布的经典实验发现，这种分布与“理想自由”分布是一致的，即当地人口与当地供应率成正比。受这个实验和其他实验的启发，我们研究了微生物世界中的类似问题：趋化细菌在多个附近食物来源周围的分布。与可能保持在空间变化的营养物场中的单个细胞水平的摄取速率的优化相反，趋化细胞群体的营养物消耗将改变营养物场，并且摄取速率通常在整个群体中变化。通过一个简单的模型，我们研究了在细菌和营养物质的趋化性，消耗和扩散的存在下，资源摄取的分布。借用理论经济学领域，我们探讨如何基尼系数可以作为一种手段来量化的不平等的吸收。趋化性的再分配效应可以导致一种现象，我们称之为“趋化水平”，并简要地考虑了这些结果对种群适应度的影响。
2015-07-16 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Real-time characterization of the mechanical behaviour of an actively growing bacterial culture by rheology
在稳态和动态剪切流下，对金黄色葡萄球菌培养物的群体生长进行流变学测量。我们观察到丰富的粘弹性行为作为细菌活性的结果。首先，由于细胞增殖和聚集，粘度增加~10倍。这种粘度增加呈现出几个下降和完全恢复，这是可再现的，使我们能够唤起渗滤现象的存在。最终，随着细菌种群达到发育的最后阶段，满足样品体积，粘度返回到其初始值，最可能是由细菌生理活性的变化引起的，特别是其粘附特性的降低。最后，粘性和弹性模量的幂律行为兼容的“软玻璃材料”模型，其指数依赖于细菌的生长阶段。
2012-09-24 cond-mat.soft physics.bio-ph
Discrete modelling of bacterial conjugation dynamics
在细菌群体中，细胞能够合作以产生复杂的集体功能。由于我们对潜在生物学原理的知识不断扩展，以及工程微生物财团的可能应用范围不断扩大，对群体水平细胞行为的兴趣正在增加。例如，合成生物学（将工程原理应用于生命系统）领域的研究人员最近展示了有用的决策电路如何分布在细菌种群中。细胞通过小信号分子相互作用的能力（一种称为群体感应的机制）是大多数现有工程系统的基础。然而，水平基因转移（或接合）提供了细胞交换信息（使用DNA）的可能性，这些信息更加丰富。工程这种共轭机制，以适应特定的目标的潜力将指导在这一领域的未来发展。出于缺乏计算模型检查共轭的具体动力学，我们提出了一个模拟框架，其进一步的研究。我们提出了一个基于代理的共轭动力学模型，与现实的物理力量的处理。我们的框架将细胞间相互作用的管理与细胞内遗传网络的模拟相结合，提供了一个通用的平台。我们验证我们的模拟对现有的实验数据，然后演示如何新兴的混合模式的多菌株种群可以影响共轭动力学。我们的结合模型，基于概率分布，可以很容易地调整到对应于不同细胞类型的行为。模拟代码和影片可在http://code.google.com/p/discus/上获得。
2012-11-06 cs.MA physics.bio-ph q-bio.CB
Finite-size effects on bacterial population expansion under controlled fow conditions
生物物种在自然环境中的扩张通常被描述为个体空间扩散和生长的综合效应。在水生生态系统的情况下，流动运输也可以作为一个额外的，平流引起的，扩散因素是非常相关的。有一个可重复的实验研究缺乏生物前沿的生物有机体在控制流栖息地。因此，目前尚不清楚化学反应的平流-反应-扩散前沿的理论和实验知识是否以及在多大程度上也可以适用于生物种群的扩张。我们设计并组装了一个专用的微流控装置，以控制和量化的$E.coli$细菌种群的扩张在同向流动和逆流条件下，测量在不同强度的强加流的前端速度。在方差相对于自催化反应的情况下，我们测量，几乎无关的逆流速度，前速度保持有限的恒定正值。一个简单的模型，结合有限大小的硬珠的生长，分散和漂移允许解释这一发现是由于细菌的有限体积效应。这表明基于Fisher-Kolmogorov-Petrovsky-Piscounov方程（FKPP）的模型忽略了生物体的有限大小，可能无法准确描述细菌空间生长动力学的物理特性。
2016-08-29 physics.bio-ph
A maximum principle for the mutation-selection equilibrium of nucleotide sequences
我们研究了一个确定性的四态突变选择模型作为一个模型的核苷酸序列在序列空间中的人口的演变的平衡行为。突变模型是Kimura 3ST突变方案，并且选择方案被假设为在位点置换下不变。考虑到进化过程中的向前和向后的时间，我们使用的祖先分布作为稳态的向后的过程中得到的突变损失的表达式（作为祖先和人口之间的差异平均健身），我们证明了一个最大值原则，确定人口平均健身突变选择平衡。
2003-08-27 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.PE
Rate of Adaptation in Large Sexual Populations
适应通常涉及获得大量的基因组变化，这些变化在单个个体中以突变的形式出现。在无性繁殖的种群中，突变的组合只有在出现在同一谱系中时才能固定，但对于遗传信息交换的种群，有益的突变可以出现在不同的个体中，并在以后结合。在大群体中，当群体大小N与总有益突变率U_b的乘积较大时，许多新的有益等位基因可以同时在群体中分离。我们计算的适应率，v，在几个模型中，这样的性种群，并表明，v是线性的NU_b只有在足够小的人口。在大的群体中，v随着log NU_b的增加而缓慢得多。然而，这个对数的前因子随着重组率的平方而增加。这种通过重组加速适应的现象意味着性别在进化上具有很强的优势。
2011-08-17 physics.bio-ph q-bio.PE
Evolution and stability of altruist strategies in microbial games
当微生物争夺有限的资源时，它们经常使用细菌毒素进行化学战。这种竞争可以用演化博弈论（EGT）来理解。我们研究的预测EGT的细菌“自杀式炸弹袭击者”的游戏中的相位画像的种群动力学，参数组合，涵盖所有有趣的游戏，两个球员，和七个38个可能的相位画像的三人游戏。我们将这些预测与有限混合种群中这些竞争的模拟进行比较，但也允许概率而不是纯策略，以及达尔文适应数万代。我们发现，达尔文进化的概率策略稳定的石头剪刀布类型的游戏，出现的参数描述现实的细菌种群，并指出，在人口不动点可以通过改变这些参数选择的方式。
2011-11-04 physics.bio-ph q-bio.PE
The colon-pile
细菌在结肠中繁殖并迁移，以响应营养的可用性。在这里，我将结肠细菌群体建模为沙堆模型，结肠堆。加砂模拟细菌复制，颗粒倾倒代表细菌迁移与高种群密度相结合。数值模拟揭示了一个行为类似于非保守的沙堆模型，接近一个临界状态与系统范围内的雪崩时，死亡率变得可以忽略不计。临界指数估计表明，结肠堆属于一个新的普适类。这项工作表明，结肠微生物组处于自组织临界状态，其中小的扰动可以触发大规模重排，覆盖与系统大小相当的区域，并以1/f噪声谱为特征
2020-03-06 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.PE
