生物菌落膜表面形貌形成的力学研究

摘要

细菌在生长过程中常常要面对抗生素、宿主免疫系统、营养物质和氧气缺乏等种种挑战.为了应对生存环境的变化,细菌自发形成复杂有序的多细胞聚集体——菌落膜.菌落膜一般包被一层由粘附素、淀粉样蛋白和胞外多糖组成的胞外基质,细胞之间紧密联结.因此，菌落膜具有类似组织结构的性质，具备抵抗抗生素和杀菌剂威胁的能力，从而有效地规避宿主免疫系统的影响。另一方面，菌落膜的形成在许多方面也是有益的，如废物处理、植物保护、微生物燃料电池的利用等。可见生物菌落膜的应用涉及健康、工业等许多领域。本文将菌落膜简化为可生长的弹性薄板，分析了其失稳的力学机制，给出了临界失稳的理论解。并采用Ginzburg-Landau动力学方法和傅里叶谱方法相结合的途径对菌落膜的形貌产生进行了模拟，结果与文献中的实验观察吻合。此外，建立了不同生长应变下菌落膜表面形貌的相图。采用量纲分析对环向失稳的波数进行了预测，与数值模拟结果一致。本文提出的模型可以再现各种复杂的菌落膜表面形貌，从膜基系统失稳的角度解释了相关实验结果。