作者:麻省理工学院的贝基·汉姆
信用:Pixabay/CC0公共领域
在一个方形盒子里种一个西红柿，你会得到一个方形西红柿
这是一个实验，清楚地表明了禁闭是如何影响一个身体的进化形状的
现在，麻省理工学院和耶鲁大学的研究人员开发了一个理论框架来解释生长中的身体对禁闭的反应机制
为了验证他们的理论，由麻省理工学院土木与环境工程和机械工程副教授塔尔·科恩(Tal Cohen)领导的一个研究小组，在一种柔软的凝胶中培养霍乱细菌，在细菌生长到10000倍大时，以单细胞分辨率观察不断膨胀的细菌生物膜的结构
根据这一理论，根据发表在《固体力学和物理学杂志》上的研究，生物膜采用生长路径来优化其形状，以响应约束和周围凝胶变形以容纳生物膜时的损伤
英国科学家约翰·埃舍尔比在20世纪50年代对包含问题进行了革命性的研究，但是科恩和他的同事们的工作是向前迈出的重要一步，M
D
休斯顿大学机械工程教授
“Eshelby工作的一个关键限制是，它仅限于仅轻微变形的材料
然而，我们经常会遇到变形几乎不“轻微”的情况，”夏尔马解释说，他不是麻省理工学院耶鲁大学研究的一部分
科恩和他的同事巧妙地解决了大变形的埃舍尔比夹杂问题
多亏了科恩的论文，像凝胶、用于软机器人的弹性体、生物膜、细胞如何在组织中相互作用等软物质中的内含物问题现在变得容易理解了
" 研究人员希望更多地了解生物膜是如何生长的，因为它们会导致船只和水过滤系统的抗生素抗性和机械污染
但是科恩和他的同事的发现也适用于各种有限的生长场景，从金属合金中形成的沉淀物到肺中生长的肿瘤
悬浮球体 70年来，科学家们一直在研究受限物体或包裹体的生长和环境压力之间的相互作用
这些研究使用线性框架来理解这种关系——生长的物体对其限制边界施加的力越大，这些边界经历的位移就越多
但科恩解释说，现实世界中材料的行为要复杂得多
在不断增长的物体的推动下，封闭的边界可能会抵抗位移，或者可能会破裂
随着包裹体形状的变化和包裹体材料反应的变化，这种关系一直在发展
科恩的实验室专门研究固体材料中的这些非线性效应
研究人员发展的非线性夹杂理论预测了夹杂物形状的显著差异，这取决于它们的生长环境
在生物膜的情况下，当周围的物质更坚硬时，细菌形成一个扁圆形或“烟雾状”的球体，而不是规则的球体
科恩说，生物膜实验系统对完善他们的理论很重要
“如果没有它，实际上以一种非常可控的方式观察材料内部发生的这些巨大变形会非常困难
" 科恩补充说，实验和理论是一个起点
例如，研究人员也很好奇他们的理论如何解释营养物质在生长系统中的扩散方式，以及“这是否能更好地向我们解释约束和生长本身之间的耦合，”她说
她建议，了解内含物是如何生长的，以及它们是如何和为什么停止生长的，或者它们是如何对周围的身体造成损害的，对于解决肿瘤生长问题可能很重要
该理论也可以应用于金属加工，以更好地控制金属中的沉淀物所产生的生长和应力，从而产生具有不同特征的合金
不同的增长方式 细菌生物膜增长10000倍的极端例子是科恩实验室工作的核心
她和她的学生感兴趣的是当材料被推到极限时会发生什么
这种推动可能来自极端载荷、冲击波或与增长相关的压力
然而，科恩说她的实验室看待增长的方式与大多数不同
大多数人从观察开始
例如，他们看到一棵树，他们假设它是如何生长的，然后创建一个理论来再现观察结果
相反，科恩和她的同事从研究增长本身的基础开始
“我们剖析一个系统，并试图从微观上理解它，”她说，“然后问，‘这里产生增长的基本机制是什么？’希望我们能找到导致不同形态的物理原理
" 研究人员接着问，一个具有这些原则的系统会发展成什么样
科恩说，这种开放式的方法使得他们的理论在生物学和物理系统中的各种问题上都很有用
这项工作需要团队努力，将先进的分析、计算和实验工具结合起来
两位麻省理工学院的博士后，李健和科塔里分别领导了计算和分析工作
麻省理工学院博士
D
学生乔克林加姆·森希尔内森、托马斯·亨泽尔和李宣和为理论研究做出了贡献
这些实验是由耶鲁大学博士后张秋停和助理教授荆岩共同完成的
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
