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自然界中，較多細(xì)菌生活在極度受限的微米尺度環(huán)境中。理解細(xì)菌在這些受限空間中的運(yùn)動規(guī)律，對于調(diào)控微生物生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要。真實(shí)環(huán)境中細(xì)菌往往面臨更復(fù)雜的“受限”環(huán)境，即同時受到上下、左右多個邊界限制的空間。在這種條件下，細(xì)菌的運(yùn)動規(guī)律是否發(fā)生變化及其背后的物理機(jī)制，尚不清楚。近日，中國科學(xué)院理論物理研究所研究團(tuán)隊通過結(jié)合粒子模擬、連續(xù)介質(zhì)理論模型和精密實(shí)驗測量，揭示了空間限制對游泳細(xì)菌近表面運(yùn)動行為的關(guān)鍵影響。研究發(fā)現(xiàn)，與單一無限大表面附近的行為相反，當(dāng)細(xì)菌在兩層平行板構(gòu)成的狹窄空間中游動時，它們減少在表面附近的聚集，更易從表面逃逸，轉(zhuǎn)向在空間中央?yún)^(qū)域聚集。這一反?，F(xiàn)象的背后是以往常被忽略的高階流體力學(xué)相互作用——力四極子在發(fā)揮主導(dǎo)作用。傳統(tǒng)理論將細(xì)菌在表面附近的聚集行為歸因于其自身產(chǎn)生的“力偶極子”流場與表面的流體力學(xué)相互作用。這種偶極子流場會產(chǎn)生將細(xì)菌拉向表面的“吸引”效應(yīng)，被認(rèn)為是表面聚集的主導(dǎo)機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，在高度受限的狹小空間中，僅考慮偶極子無法解釋實(shí)驗觀察到的細(xì)菌從表面逃離、向中間聚集的現(xiàn)象。研究通過建立更精細(xì)的“桿-球體模型”來準(zhǔn)確刻畫大腸桿菌的幾何形態(tài)，并完整推導(dǎo)出其產(chǎn)生的流場包含力偶極子以及不可忽略的力四極子。理論計算表明，對于典型的桿狀細(xì)菌，力四極子對細(xì)菌行為的作用與偶極子相當(dāng)，在受限條件下其效應(yīng)甚至更顯著。理論分析顯示，與偶極力產(chǎn)生的“牽引”流不同，四極子產(chǎn)生的鏡像流場主要貢獻(xiàn)在于其旋度（渦量）。這種旋轉(zhuǎn)流場對細(xì)菌施加一個使其轉(zhuǎn)向、遠(yuǎn)離表面的力矩，相當(dāng)于為細(xì)菌提供了“逃離表面”的力學(xué)推動。研究通過求解包含流體相互作用和空間位阻的Smoluchowski方程，進(jìn)行嚴(yán)格的連續(xù)介質(zhì)模擬。結(jié)果表明，僅考慮偶極子和空間位阻時，模型無法再現(xiàn)實(shí)驗觀察到的中央聚集峰。只有當(dāng)引入四極子項后，理論預(yù)測的細(xì)菌密度分布曲線才能與實(shí)驗數(shù)據(jù)高度吻合，且無需引入任何擬合參數(shù)，直接使用由細(xì)菌幾何形狀和游動速度計算出的偶極子和力四極子的強(qiáng)度即可。進(jìn)一步，對細(xì)菌與側(cè)壁碰撞動力學(xué)以及三維逃逸率的模擬分析均證實(shí)，四極子增大了細(xì)菌從表面逃逸的角度和概率，解釋了受限環(huán)境下表面聚集減弱的原因。研究還發(fā)現(xiàn)，在單一表面附近，細(xì)菌因受力矩作用進(jìn)行典型的圓周運(yùn)動。在強(qiáng)限制條件下，來自上下兩個表面的力矩相互抵消，導(dǎo)致細(xì)菌的游動軌跡變得更直，且曲率降低。邊界元法模擬定量重現(xiàn)了這一現(xiàn)象，為理解受限環(huán)境中的細(xì)菌運(yùn)動模式提供了完整的理論解釋。上述研究確立了高階奇異子在強(qiáng)限制條件下的核心地位，提出了預(yù)測和調(diào)控微生物分布的理論方法，為理解真實(shí)環(huán)境中的細(xì)菌行為提供了新視角。相關(guān)研究成果發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。論文鏈接