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为探究细菌等微生物在表面定植时新结构的基本特性，研究人员开展 “曲率对微生物生长薄膜的影响” 主题研究。结果发现个体曲率影响菌落整体生长行为，如减小有序域尺寸、引入新耦合等。该研究对理解微生物相互作用及应用意义重大。
在微观的生物世界里，细菌和其他微生物就像一群 “小探险家”，它们以各种独特的方式探索着周围的环境，比如在表面滑行、在液体中游泳，或者通过个体生长不断扩张领地。其中，微生物在表面形成薄膜的过程，就像是一场微观世界的 “建筑工程”，吸引着众多科研人员的目光。
从理论研究的角度来看，过往许多学者在探究微生物薄膜形成时，常把微生物简化为直的球柱体来模拟它们的生长和分裂。然而，现实世界中几乎不存在完美笔直的微生物个体。就像生活中找不到完全笔直的树枝一样，微生物的细胞形状多种多样，不少细菌天生就具有弯曲的形态，像霍乱弧菌（V cholerae）和新月柄杆菌（c crescentus）。而且，外部环境因素也能让细菌细胞变弯。但在以往的研究中，细胞的弯曲形状以及曲率的影响却被忽视了。这就好比在研究一座建筑的建造过程时，忽略了建筑材料的独特形状对整体结构的影响，使得我们对微生物薄膜生长的理解存在缺失。为了填补这一空白，来自德国马格德堡奥托 - 冯 - 格里克大学（Institut für Physik, Otto-von-Guericke-Universit?t Magdeburg）和日本名古屋大学（Department of Physics, Nagoya University）的研究人员开展了一项关于 “曲率对微生物生长薄膜的影响（Effects of curvature on growing films of microorganisms）” 的研究，其成果发表在《Biophysical Journal》上。
研究人员为了深入探究微生物薄膜生长中曲率的作用，采用了一系列巧妙的研究方法。在模型构建方面，他们把弯曲的微生物细胞看作是一段半径为R、厚度为d0的圆弧，每个细胞的长度用弧长Li=R?i来表示（其中?i是包含微生物的扇形区域的圆心角） 。在模拟生长过程时，假设细胞弧长Li随时间t线性增加，即dtdLi(t)=Gi ，Gi是每个细胞独立从[g/2,3g/2]均匀分布中选取的恒定生长速率，g为平均生长速率。当细胞弧长达到阈值Ld时，就会分裂成两个大小相等的细胞。同时，利用赫兹弹性模型（Hertzian elastic model）来考虑细胞间因体积排斥产生的相互作用。在数值计算上，运用半隐式欧拉方法（semi-implicit Euler method），以Δt=1×10?2的时间步长对相关方程进行求解。
1. 菌落生长导致的域结构特征
研究人员通过模拟从单个随机取向细胞开始的生长过程，发现细胞数量随时间呈指数增长。通过观察不同曲率1/R和阈值分裂长度Ld下的菌落最终构型，发现增加曲率和减小阈值分裂长度会显著减小介观域的平均尺寸，进而降低局部取向排列程度。从定量分析来看，研究人员通过判断相邻细胞是否接触且取向近似相同（当相互作用力不为零且∣θi?θj∣<0.1时，认为属于同一介观域）来确定介观域的大小，计算其平均面积<A> 。结果显示，在细胞曲率较小时，<A>几乎不变；但从某一1/R值开始，<A>显著下降，且这种效应在Ld=5时最为明显。此外，研究还发现，对于曲率为1/R=0.01的基本为直的细胞，其域面积<A>Δr向菌落外缘呈下降趋势；而对于1/R=0.10和0.33的弯曲细胞，<A>Δr向菌落外缘保持相对恒定。同时，研究人员还评估了介观域面积A的概率分布P(A)，发现随着细胞曲率增加，虽然仍呈现指数分布，但特征域面积A?减小。
2. 弯曲细胞菌落中的空间 - 取向耦合
研究发现，细胞曲率对菌落平均介观域大小的影响与减小分裂长度的效果类似，但弯曲细胞还会产生直细胞菌落中不存在的新结构特征，即细胞取向与在菌落中位置的耦合。研究人员通过计算从菌落中心到每个细胞质心连线的角度γi，并与细胞的角取向θi作比较，绘制θi?γi的直方图来评估这种耦合。结果发现，对于曲率1/R=0.01的近直细胞，分布是平坦的，不存在空间 - 取向耦合；而当细胞曲率增加到1/R=0.10和0.33时，在θi=γi附近出现一个宽峰，表明存在空间 - 取向耦合。通过拟合圆正态分布（circular normal distribution，也称为冯?米塞斯分布，von Mises distribution）f(θ)=2πI0(K)1eKcos(θ?γ)来进一步量化这种耦合程度，发现参数K在1/R=0.2附近达到最大值，意味着在中等曲率时空间 - 取向耦合最明显。
3. 弯曲细胞菌落中的特定子结构
弯曲微生物菌落的结构元素与直细胞菌落有本质区别。从菌落快照中可以观察到，弯曲细胞会形成散在的环状结构元素，不过这种结构在菌落中似乎并不占主导。更为明显的是，弯曲细胞会出现堆叠排列，与直细胞形成的较为斑块状的介观域不同。研究人员通过绘制所有细胞弧的中心位置ri°并结合细胞取向的颜色编码发现，对于曲率1/R=0.01的几乎为直的微生物，几乎没有相邻对齐细胞的堆叠现象，中心位置分布相对均匀，呈气状；而随着曲率增加到1/R=0.10和0.33，出现了分支丝状元素，这是相邻弯曲细胞线状堆叠排列的明显特征。
研究结论表明，个体单元的持续曲率会显著影响生长菌落的结构。随着细胞曲率增加，取向有序域的典型尺寸大幅减小，同时出现了与直微生物不同的结构，如细胞取向与在薄膜中位置的相关性，以及弯曲微生物堆叠形成的分支丝状结构。这项研究聚焦于由生长和分裂的弯曲微生物组成的菌落扩展的基本现象，为后续研究开辟了多个方向。未来可以考虑个体生长速度的机械调节、扩散过程、纵横比的多分散性、各向异性摩擦、其他类型的相互作用（如粘附力），以及从单层菌落向多层结构的转变等。此外，研究个体曲率与营养供应、底物机械性能等因素的综合作用，也将为理解微生物在表面的行为提供更深入的视角，对医学应用（如预防和控制生物膜相关疾病）和生物工程（如设计微生物驱动的材料和系统）等领域具有重要的指导意义。
