在自然界中，许多细菌生活在极度受限的微米尺度环境中，例如土壤颗粒间的缝隙、生物组织间的狭窄通道。理解细菌在这些受限空间中的运动规律，对于调控微生物生态系统至关重要。长期以来，科学家们对细菌在单一表面附近的运动行为已有了较为深入的认识。经典理论认为，细菌自身游动产生的“力偶极子”流场会与表面发生流体力学相互作用，导致细菌被“吸引”并聚集在表面附近，这是形成生物膜的关键第一步。然而，真实环境中细菌往往面临的是更为复杂的“受限”环境，即同时受到上下、左右多个边界限制的空间。在这种条件下，细菌的运动规律是否会发生变化？其背后的物理机制又是什么？这一直是微生物流体力学领域悬而未解的问题。

近日，一项发表于《物理评论快报》的研究突破了传统认知，通过结合粒子模拟、连续介质理论模型和精密实验测量，首次系统揭示了空间限制对游泳细菌近表面运动行为的关键影响。研究发现，与在单一无限大表面附近的行为相反，当细菌在两层平行板构成的狭窄空间中游动时，它们会减少在表面附近的聚集，并更容易从表面逃逸，转向在空间中央区域聚集。这一反常现象的背后，是一种以往常被忽略的高阶流体力学相互作用——“力四极子”在起主导作用。

从“偶极子”到“四极子”：理论模型的深化与突破。传统理论将细菌在表面附近的聚集行为主要归因于其自身产生的“力偶极子”流场与表面的流体力学相互作用。这种偶极子流场会产生将细菌拉向表面的“吸引”效应，被认为是表面聚集的主导机制。然而，在高度受限的狭小空间中（如微米级的通道），研究团队发现，仅考虑偶极子已完全无法解释实验中观察到的细菌从表面逃离、向中间聚集的现象。研究团队通过建立更精细的“杆-球体模型”来准确刻画大肠杆菌的几何形态，并首次完整推导出其产生的流场中不仅包含力偶极子，还包含一个不可忽略的力四极子。理论计算表明，对于典型的杆状细菌，力四极子对细菌行为的作用与偶极子相当，在受限条件下其效应甚至更为显著。理论分析显示，与偶极力产生的“牵引”流不同，四极子产生的镜像流场主要贡献在于其旋度（涡量）。这种旋转流场会对细菌施加一个使其转向、远离表面的力矩，相当于为细菌提供了一个“逃离表面”的力学推动。

理论与实验的完美契合：定量预测的实现。研究人员通过求解包含流体相互作用和空间位阻的Smoluchowski方程，进行了严格的连续介质模拟。结果表明：仅考虑偶极子和空间位阻时，模型无法再现实验中观察到的中央聚集峰。只有当引入四极子项后，理论预测的细菌密度分布曲线才能与实验数据高度吻合，且无需引入任何拟合参数，直接使用由细菌几何形状和游动速度计算出的偶极子和力四极子的强度即可。此外，对细菌与侧壁碰撞动力学以及三维逃逸率的模拟分析均证实，四极子的存在显著增大了细菌从表面逃逸的角度和概率，定量地解释了为何在受限环境下表面聚集会减弱。研究还发现，在单一表面附近，细菌因受力矩作用会进行典型的圆周运动。而在强限制条件下（如板间距H < 15 µm），来自上下两个表面的力矩相互抵消，导致细菌的游动轨迹变得更直，曲率显著降低。边界元法（BEM）模拟定量地重现了这一现象，为理解受限环境中的细菌运动模式提供了完整的理论解释。

理论意义与应用前景：从基础科学到潜在应用。确立了高阶奇异子在强限制条件下的核心地位：揭示了在微观受限系统中，仅考虑最低阶的流体力学近似是不够的，必须考虑力四极子等高阶项。提供了预测和调控微生物分布的理论方法：通过调整细菌的几何形状和游动方式，有望在微流控器件中主动控制微生物的分布。为理解真实环境中的细菌行为提供新视角：这项研究将细菌游动的微观动力学与宏观群体分布巧妙地联系起来，对于理解细菌在生物膜形成初期、组织感染过程中的空间分布具有重要启示，在微生物生态学和工业生物技术等领域具有潜在应用价值。这项研究彰显了理论物理模型在理解和预测复杂生物物理现象中的强大力量，为微观生命运动的研究开辟了新的维度。

该研究成果近日发表在Physical Review Letters，中国科学院物理研究所魏达副研究员（实验部分）和北京航空航天大学物理学院胡世渊副教授（理论模拟部分；原中国科学院理论物理研究所孟凡龙课题组博后）为论文共同第一作者，中国科学院物理研究所彭毅研究员和中国科学院理论物理研究所孟凡龙研究员为共同通讯作者。论文的具体内容见以下链接。

正文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/dvc8-tlh1