物理学家解开微管移动者之谜

活性物质是由单个单元组成的任何材料或系统的集合，这些单元可以通过自推进或自主运动而移动。它们可以是任何大小——想想培养皿中的细菌云或鱼群。

三个明显的平面外微管束与图像左下角的其余微管未对齐。

罗曼·格里戈里耶夫(RomanGrigoriev)最感兴趣的是由分子尺度单元组成的活性物质系统中的涌现行为，这些微小系统将存储的能量转化为定向运动，在移动和施加机械力时消耗能量。

佐治亚理工学院物理学院教授格里戈里耶夫解释说：“活性物质系统因其独特的性质和潜在的应用而在物理学、生物学和材料科学领域获得了极大的关注。”

他说：“研究人员正在探索如何利用活性物质来完成诸如设计具有定制特性的新材料、了解生物有机体的行为，甚至开发机器人和自主系统的新方法等任务。”

但这只有在科学家了解构成活性物质的微观单元如何相互作用，以及它们是否能够影响这些相互作用，从而影响宏观尺度上活性物质的集体特性时，才有可能实现。

格里戈里耶夫和他的研究同事通过开发一种新的活性物质模型找到了潜在的第一步，该模型为问题的物理学提供了新的见解。他们在《科学进展》上发表的一项新研究中详细介绍了他们的方法和结果，“活性向列的物理知情数据驱动建模”。

Grigoriev的合著者包括物理学院研究生研究员MatthewGolden和JyothishrajNambisan，以及巴塞罗那大学凝聚态物理系教授、佐治亚理工学院前物理学副教授AlbertoFernandez-Nieves。

微管：二维“解决方案?”

研究小组专注于活性物质最常见的例子之一，即液体介质中的自驱动颗粒悬浮液，例如细菌或合成微型游泳器。这些粒子由于其移动和相互作用的能力而聚集、聚集或以其他方式形成动态模式。

“在我们的论文中，我们使用来自涉及微管悬浮液的实验系统的数据，微管悬浮液为真核细胞(任何具有明确细胞核的细胞)提供结构支撑、形状和组织，”格里戈里耶夫解释道。

微管、肌动蛋白丝和一些细菌都是向列体的例子，它们是一种杆状物体，其“头”与“尾”无法区分。

微管的运动是由蛋白质驱动蛋白驱动的分子马达驱动的，驱动蛋白消耗溶解在液体中的三磷酸腺苷(ATP)，使一对相邻的微管相互滑动。研究人员的系统使用悬浮在油层和水层之间的微管，这将它们的运动限制在二维范围内。

“这使得微管的可视化和跟踪它们的运动变得更容易。通过改变驱动蛋白或ATP浓度，我们可以控制微管的运动，使这一实验装置成为迄今为止活性向列相乃至活性物质研究中最受欢迎的实验装置之一，”Grigoriev说。

“这就是故事变得有趣的地方”

更清晰地了解微管运动只是该研究的一个发现。

另一个是更多地了解描述宏观尺度上向列分子的方向和运动的特征模式之间的关系。这些图案或拓扑缺陷决定了向列相如何在油水界面(即二维空间)上定向。

格里戈里耶夫说：“了解流动(系统或流体的整体属性)与描述微管局部方向的拓扑缺陷之间的关系，是该领域研究人员面临的关键智力问题之一。”

“人们需要正确识别控制微管与周围液体之间相互作用的主要物理效应。”

“这就是故事变得有趣的地方，”格里戈里耶夫补充道。

“十多年来，人们相信关键物理学已被充分理解，大量理论和计算研究依赖于普遍接受的第一原理模型”——即基于既定科学的模型——“该模型最初是由对于三个空间维度的活性向列。”

然而，在佐治亚理工学院的模型中，主动向列相的动力学——更具体地说，新兴图案的长度和时间尺度——是由一对描述那些假设的主要物理效应的物理常数控制的：微管的刚度(它们的灵活性))，以及描述驱动蛋白马达产生的应力或力的活动。

“使用数据驱动的方法，我们推断出模型的正确形式，证明对于二维主动向列，主要的物理效应与之前假设的不同，”格里戈里耶夫说。

“特别是，时间尺度是由驱动蛋白拉伸微管束的速率决定的。”恒定的是这个速率，而不是压力。

确认偏差的危险

格里戈里耶夫说，这项研究的结果对于理解活性向列相及其涌现行为具有重要意义，并解释说，它们有助于合理化最近的一些先前无法解释的实验结果，例如拓扑缺陷的密度如何随着驱动蛋白的浓度而变化和流体层的粘度。

格里戈里耶夫说：“更重要的是，我们的结果证明了与传统假设相关的危险，传统假设已建立的研究团体经常遭遇并难以克服。”

“虽然数据驱动的方法可能有其自身的偏差来源，但它们提供的视角与更传统的方法足够不同，本身就成为一种有价值的研究工具。”