自然界的奇妙共性令人咋舌 细菌与电子的运动方式异曲同工

自然界确实存在普遍的“模式”，这与物体的大小、种类或所处环境无关。例如，树干与血管的分支形状十分相似，而软体动物与卷心菜的螺旋结构如出一辙。现在麻省理工学院和剑桥大学的科学家发现，细菌与电子的集体运动也出人意料地相似：当成千上万细菌通过微流体晶格时，它们同步运动的方式与电子在磁场中围绕原子核运动的方式具有异曲同工之妙。
据麻省理工学院官网消息，在初步实验中，研究人员将细菌注入微型水槽中来观察其流动模式。他们发现，在较大的水槽中，细菌的流动方式相对混乱，而在宽约70微米的较小水槽中，成千上万的细菌开始有序地流动——长时间内以螺旋的方式向同一个方向运动。
为了进一步研究，研究人员设计了包含100个微型水槽的晶格，其中每个水槽宽70微米，相邻水槽之间通过狭小的缝隙互相连通。他们把细菌注入晶格并进行观察后发现，可以通过改变水槽之间缝隙的宽度来控制细菌的流动。如果缝隙足够小，两个相邻水槽中的细菌会以相反方向进行螺旋运动，与电子在非磁性材料中的交替循环类似；如果缝隙在8微米以上，每个水槽中的细菌都会向同一个方向同步运动，与电子在磁场中的运动方式类似。
研究人员还找到了同时适用于细菌和电子的运动方式的数学模型。这个模型基于电子在磁性和电子材料中的量子行为的晶格场理论，只是被简化后更通俗易懂。他们利用模型预测，晶格场维度的变化会带来电子或细菌的相变或流动方向的改变。其研究结果近日发表在《自然·物理》杂志上。
“我们发现了两者的共性，这非常令人惊讶。”麻省理工学院应用数学系副教授耶恩·邓克尔说，“真正迷人的地方在于，一个生命系统的行为与人们所认为的量子系统的行为如此相似。”