作者:埃里卡·克
宾夕法尼亚大学布罗克梅尔 由分子马达制成的活动地毯(上图)产生强大的气流，这增强了附近粒子的扩散，正如由最终流场(下图)模拟的那样
信用:阿诺德·马西森 食用色素在一杯水中缓慢扩散的过程是由一种被称为扩散的过程驱动的
虽然扩散的数学已经知道很多年了，但是这个过程在活的生物体中是如何工作的还没有被很好地理解
现在，《自然通讯》上发表的一项研究为复杂系统中的扩散过程提供了新的见解
这一新的理论框架是宾夕法尼亚大学、智利大学和海因里希·海涅大学杜塞尔多夫分校的物理学家合作的结果，它对活性表面有着广泛的意义，例如生物膜、活性涂层，甚至病原体清除机制
扩散是由菲克定律描述的:粒子、原子或分子总是从高浓度区域移动到低浓度区域
扩散是分子在体内运动的最重要方式之一
然而，对于长距离的大物体运输，标准扩散变得太慢而跟不上
该研究的合著者阿诺德·马吉森说:“这时你需要活性成分来帮助运输东西。”
在生物学中，这些致动器包括移动细胞内货物囊泡的细胞骨架马达，或者将液体泵出人体肺部的纤毛
当许多致动器聚集在一个表面上时，它们被称为“活动地毯”
“他们可以一起向系统注入能量，以帮助提高扩散效率
马修森的研究小组研究病原体的物理学，他第一次对这个话题感兴趣是在和活性物质物理学专家弗朗西斯卡·古斯曼-拉斯特拉以及理论物理学家哈特穆特·勒文一起研究生物膜的时候
生物膜是活性地毯的另一个例子，因为它们利用鞭毛产生“流动”，将液体和营养物质从环境中泵出
具体来说，研究人员有兴趣了解当获取营养物受到限制时，生物膜是如何自我维持的
“它们可以通过创造流动来增加食物摄取，但这也需要消耗能量
所以，问题是:你投入多少能量来获取能量？”马修森说
但是研究活性地毯很困难，因为它们不符合费克定律，所以研究人员需要开发一种方法来理解这些非平衡系统中的扩散，或者那些增加了能量的系统
“我们认为我们可以推广这些定律来增强扩散，当你有不遵循菲克定律的系统时，但仍然可以遵循一个简单的公式，这个公式广泛适用于许多这些活跃的系统，”马西森说
在搞清楚如何将理解细菌动力学和菲克定律所需的数学联系起来后，研究人员开发了一个类似斯托克斯-爱因斯坦方程的模型，该模型描述了与温度和扩散的关系，并发现微观波动可以解释他们在粒子扩散中看到的变化。
利用他们的新模型，研究人员还发现，这些小运动产生的扩散效率惊人，让细菌只用少量能量就能获得大量食物
“我们现在已经推导出一种理论，可以预测细胞内部或靠近活性表面的分子运输
“我的梦想是这些理论可以应用在不同的生物物理环境中，”马修森说
他在宾夕法尼亚的新研究实验室将开始后续实验，以测试这些新模型
他们计划研究生物和工程微观系统中的主动扩散
马修森也参与了一个与新冠肺炎在食品加工设施中的传播有关的项目，他说肺部的纤毛是生物学中活跃的地毯的另一个重要例子，特别是因为它们是抵御像新冠肺炎这样的病原体的第一道防线
他说，“这将是另一个需要测试的非常重要的东西，这种活性地毯的理论是否与呼吸道中的病原体清除理论有关
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