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为探究表面附近游动细菌两两互作如何影响其动力学，研究人员结合 3D 全息追踪实验与流体力学模拟，研究相遇大肠杆菌（E. coli）运动。发现互作引发其游泳速度和角度瞬态波动，表面会减弱速度峰值，互作还影响翻转 timing。该研究为细菌生理及主动微器件设计提供洞见。
在微生物的微观世界里，细菌的运动行为一直是生命科学领域的研究热点。对于生活在表面附近的游动细菌而言，两两相遇的情况不可避免，这些相遇事件很可能对它们的社会行为产生重要影响，比如群体迁移、生物膜形成等。然而，长期以来，由于在三维空间中追踪相互作用细菌的技术限制，科学家们对相遇事件究竟如何影响细菌动力学知之甚少。我们不清楚细菌在相遇时是会加速、减速还是改变运动方向，也不了解环境因素如表面的存在是否会调节这种相互作用。这些知识缺口不仅限制了我们对细菌群体行为的理解，也阻碍了基于细菌运动特性的仿生微器件设计。
为了填补这一空白，研究人员开展了关于大肠杆菌（Escherichia coli，E. coli）相遇运动的研究。论文发表在《Biophysical Journal》上。
研究人员主要采用了两项关键技术：一是 3D 全息追踪实验技术，能够在三维空间中精准捕捉单个及成对E. coli的运动轨迹，记录其游泳速度、运动角度等动态参数；二是流体力学模拟，通过建立数学模型模拟细菌间的流体动力相互作用，验证实验观察到的现象并解析其物理机制。
相遇引发大肠杆菌运动参数的瞬态波动
通过 3D 全息追踪实验，研究人员发现，与单独游动的细菌相比，两两相遇的E. coli会出现显著的游泳速度和运动角度瞬态波动，且这些波动的时间相关性降低。例如，当细菌以面对面的方式接近时，双方均会出现速度提升；而在追逐场景中（即一方从后方接近另一方），两者的速度都会下降。这种速度变化并非随机，而是由细菌间的相对角度、速度以及细胞间距共同决定的，流体力学模拟结果很好地验证了这一规律。
表面环境对相遇时速度峰值的抑制作用
研究还发现，表面的存在会对细菌相遇时的速度波动产生调节作用。在靠近表面的环境中，细菌相遇时产生的速度峰值相较于自由悬浮环境有所减弱。这可能是由于表面附近的流体边界层限制了细菌周围的流场分布，从而改变了细菌间的流体动力相互作用强度。
相遇过程影响细菌翻转的 timing
除了速度和角度的变化，相遇事件还会影响细菌的翻转行为。实验观察到，在两两相遇的过程中，细菌的翻转（tumble，指细菌运动方向的突然改变，是其运动模式中的一种常见行为）往往发生在两者接近到紧密接触之前。这种时间上的调控机制可能有助于细菌在群体环境中避免过度拥挤，或是通过提前改变运动方向来寻找更有利的生存环境。
研究结论表明，尽管单次相遇对细菌运动的影响是瞬态的，但对于光滑游动的E. coli而言，群体中的两两互作能够通过瞬时速度峰值为其提供推进优势，这种优势可能在细菌的群体迁移、资源竞争等生理过程中发挥重要作用。例如，在自然环境中，细菌可能通过这种相互作用更高效地探索周围环境、获取营养物质；在工业应用中，该研究为设计基于细菌运动的主动微器件（如微型生物机器人、药物递送载体等）提供了关键的理论指导，有望通过调控细菌间的相互作用来优化微器件的运动性能。此外，该研究建立的 3D 全息追踪与流体力学模拟相结合的研究方法，为今后深入研究微生物群体动力学提供了新的技术范式，有助于推动微生物学、生物物理学与微纳技术的交叉融合发展。
