三维能量驱动生物膜褶皱形态演化的力学机制研究 中文标题

本研究针对固体基质上生物膜褶皱形态的演化机制问题，通过建立局部三维生物膜/基质屈曲模型，揭示了机械力、基质弹性模量及膜厚对褶皱形态的影响。研究发现褶皱化是生物膜内部能量（Uinternal）的释放过程，基质刚度调控褶皱形成时机，且硬质基质会增大摩擦能（Ufriction/U0）抑制生物膜扩展，为理解微生物群落空间构型提供力学视角。

　　

基于薄膜屈曲理论，研究人员构建了局部三维生物膜-基质屈曲模型，探究机械力、基质弹性模量（elastic modulus）和生物膜厚度对褶皱形态的调控作用。通过模拟枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）在不同硬度琼脂基质上的生长过程，发现生物膜褶皱演化本质是内部能量（U_internal）的释放行为。基质刚度直接影响褶皱形成时机：较硬基质会导致更高摩擦能（U_friction）和能量占比（U_friction/U₀），阻碍生物膜扩展；而随营养消耗，褶皱形态（模式II、III、IV）的U_internal和U_internal/U₀逐渐降低，表明生物膜向低能耗方向进化。