旋转活细菌的新星般爆炸解释

当以一定的速度旋转时，粘性液体中的活细菌悬浮液不会像预期的那样起作用，现在一组研究人员知道为什么当旋转停止时细菌聚集似乎会爆炸。

宾夕法尼亚州立大学生物医学工程，化学和数学哈克教授，Igor Aronson说：“我们观察了活性物质 - 活细菌或人工微动物的聚集和操纵- 以及细菌液滴旋转时它们周围的耗尽区域。”“我们试图了解耗尽环是如何形成的，但发现在更高的速度下，当旋转停止时，聚集的细菌像新星一样爆炸。”

研究人员在载玻片上放置了一个含有粘性液体和细菌混合物的液滴，并在液滴上滴下一小粒镍。然后翻转载玻片，颗粒沉降到液滴的底部。由四个线圈产生的旋转磁场使粒子旋转。旋转导致细菌在旋转的镍颗粒周围和下方聚集在一起。它还在细菌周围形成了耗尽环，几乎没有细菌被发现。可以看到旋转的细菌簇和耗尽环。

以前的研究使用的液体含有较少的细菌，并且磁铁的旋转速度仅为2到20赫兹。为了研究耗尽环，研究人员使用了100倍以上的细菌并将磁体旋转到100到400赫兹。研究人员在最近一期自然通讯杂志上报告说，具有这些新参数的系统表现出异常和意想不到的行为。这种行为仅见于活性物质 - 活细菌或其合成类似物。

这种行为虽然本身很有趣，但可能对生物膜容易形成的环境中的旋转设备产生影响。“我们经常认为，如果某些东西旋转得非常快，就不会有细菌膜，因为细菌无法沉淀，”Aronson说。“但事实并非如此。旋转部件的这种细菌增生可能会更糟。”

这种现象的另一个可能的含义可能是从悬浮液中提取少量细菌的新诊断技术。

通过实验和建模，研究人员发现，当旋转的镍颗粒导致细菌聚集到足够高的密度时，其他事情也会发生，导致纺纱停止时出现爆炸。

“我们做了一个分析，发现如果吸积盘是完美的圆形，它会在旋转停止时扩大，”Aronson说。“但由于它并不完美，不完美的区域会更快地传播，并且更快地从中心移开。这使得细菌团块不稳定，并且似乎会爆炸。”

当细菌旋转时，它们会变得有序，并排成平行的水流。虽然在俯视看似密集的细菌盘时，流体运动本身更复杂。它在赤道和两极流出。因为引起旋转的镍颗粒停留在作为屏障的液滴的底部，并且细菌盘在液滴表面附近旋转，形成停滞区。一旦旋转停止，停滞区消失并且盘表面的缺陷导致细菌快速，不均匀地移动远离旋转原点。

研究人员使用数学模型和各种实验标记来观察细菌的行为，包括断层扫描和花期。该模型与实验数据一致。

“这些细菌的行为看起来就像一颗恒星的爆炸，”阿隆森说。“当然，当超新星爆炸时，物理学是非常不同的。”