正如许多人在学校科学课上看到的那样，生长在固体表面上的细菌，形成的菌落可以很容易地用肉眼看到。每一个群体都是一个复杂的生物系统；群体表现出集体行为，表明一种“社会智能”，并以类似雪花的分形模式生长。尽管如此复杂，但菌落生长可以使用基本物理原理进行建模。Lautaro Vassallo和在阿根廷国立de Mar del Plata大学的同事使用一种新方法对这种生长进行了建模。
在这种方法中，每种细菌的行为都是单独模拟的，其研究现在已经发表在《欧洲物理期刊B》上。细菌菌落从单个细胞中生长出来，所以所有的细菌在基因上都是该原始细胞的相似克隆。Vassallo和研究团队在计算机上模拟了这种生长模式，同时改变了不同的参数：“生物”参数，如细胞分裂速度和养分的可用性，以及“物理”参数，如相邻细胞之间的机械力，其研究结果与实验观察到的模式非常一致。
在模拟中，就像在自然界中一样，所有的菌落开始时都是紧凑的圆形斑点，雪花状的分形图案出现在较晚阶段。研究人员使用多重分形分析技术来描述一种特定类型的细菌运动所产生的模式：滑动。这意味着细菌不会独立移动，而是通过分割和竞争同一空间，在群体内相互推动。这只是至少六种明确定义的细菌运动类型之一，但它特别重要，因为菌落使用它形成持久和医学上具有挑战性的生物膜。
然而Vassallo和同事们希望将技术应用于模拟其他运动类型，甚至模拟菌落内细菌之间的交流。在细菌菌落的生长过程中，根据外部条件和细菌种类不同，在实验中可以观察到各种各样的复杂模式。通常，现有模型采用反应扩散方程系统或由基于规则的生长过程组成，并且仅限于离散晶格。相比之下，研究提出的二维模型是一种非晶格模拟，其中细菌被模拟为刚性圆，而营养物质是点状的布朗粒子。
通过改变养分的扩散和浓度，研究模拟了与实验观察相容的广泛的形态，从圆形和紧凑到极其分枝的图案。发现界面中的单元数目与单元总数之间存在比例关系，具有两个特征区域。这些制度对应于紧凑和分枝模式，分别为足够小和足够大的菌落展示。此外，研究通过分析生长概率的多重分形特性来表征在结构中观察到屏蔽效应。
博科园｜研究/来自：Springer
参考期刊《欧洲物理期刊B》
DOI: 10.1140/epjb/e2019-100265-0
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