苏州大学，香港中文大学发表最新Nature文章

　　

生物通报道：来自香港中文大学，苏州大学，法国原子能委员会等处的研究人员发表最新研究成果：通过在稠密的细菌悬液中观察到不同形式的集体振动，报道了一种全新的生物集体运动模式。这项研究揭示了一种长期以来被人们所忽视的细胞运动，为跨学科研究提供了新的理论。

这一研究成果公布在2月9日的Nature杂志上，文章的通讯作者分别为香港中文大学吴艺林，法国原子能委员会Hugues Chat，以及苏州大学施夏清副教授。

细胞运动蕴含了许多奥秘，这项研究在一个由无数细菌组成的集合中，观察到许多细胞挤在一起，但是单个细胞随机运动。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。“快闪”是指许多人用网络或其他方式，在一个指定的地点，在明确指定的时间，出人意料地同时做一系列指定的歌舞或其他行为，然后迅速离开。而多细胞系统的集体振动行为在许多生物过程中都发挥着重要作用，如器官的发育、胚胎的形成和神经元网络的调控。这种行为通常源自化学或电化学信号介导的长程耦合，或者细胞与其物理环境之间的相互作用。

在最新研究中，研究人员在稠密的细菌悬液中观察到不同形式的集体振动。他们发现，无数的细胞可以通过自组织实现同步运动，大部分情况下呈椭圆线圈形。而且，这种行为似乎受细胞之间的局部相互作用控制，虽然在单个细胞层面上看，细胞运动是随机的，但是在更大的尺度上观察，可发现微弱的同步运动情形。

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。这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。

（生物通：万纹）

原文摘要：

Weak synchronization and large-scale collective oscillation in dense bacterial suspensions

Collective oscillatory behaviour is ubiquitous in nature1, having a vital role in many biological processes from embryogenesis2 and organ development3 to pace-making in neuron networks4. Elucidating the mechanisms that give rise to synchronization is essential to the understanding of biological self-organization. Collective oscillations in biological multicellular systems often arise from long-range coupling mediated by diffusive chemicals2, 5, 6, 7, 8, 9, by electrochemical mechanisms4, 10, or by biomechanical interaction between cells and their physical environment11. In these examples, the phase of some oscillatory intracellular degree of freedom is synchronized. Here, in contrast, we report the discovery of a weak synchronization mechanism that does not require long-range coupling or inherent oscillation of individual cells. We find that millions of motile cells in dense bacterial suspensions can self-organize into highly robust collective oscillatory motion, while individual cells move in an erratic manner, without obvious periodic motion but with frequent, abrupt and random directional changes. So erratic are individual trajectories that uncovering the collective oscillations of our micrometre-sized cells requires individual velocities to be averaged over tens or hundreds of micrometres. On such large scales, the oscillations appear to be in phase and the mean position of cells typically describes a regular elliptic trajectory. We found that the phase of the oscillations is organized into a centimetre-scale travelling wave. We present a model of noisy self-propelled particles with strictly local interactions that accounts faithfully for our observations, suggesting that self-organized collective oscillatory motion results from spontaneous chiral and rotational symmetry breaking. These findings reveal a previously unseen type of long-range order in active matter systems (those in which energy is spent locally to produce non-random motion)12, 13. This mechanism of collective oscillation may inspire new strategies to control the self-organization of active matter14, 15, 16, 17, 18 and swarming robots19.