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自組織結構的構成，掌管著生命系統[1]的有序運作。由細胞內部細胞器的生成至胚胎發育，都充滿著由細胞聚集組織而成的有序空間結構，對於生命系統的生理功能相當重要。一直以來，科學界都以複雜的化學訊號來解釋生命系統中有序空間結構的形成。香港中文大學（中大）物理系生命物質物理實驗室（下稱實驗室）發現一種簡單的物理機制可驅使生命系統自發形成有序空間圖案。該研究團隊稱此機制為「自增強流動性」。研究剛於國際科學期刊《自然》發表，中大物理系博士後研究員徐浩然博士及其導師、領導實驗室的吳藝林教授為論文作者。

吳教授和其團隊專注研究生命系統的「活性物質科學」。活性物質（或稱非平衡態物質）是指局部地利用能量產生運動的物質系統，包括從單細胞到動物的所有生命體、由分子馬達驅動的生物分子，以及人工合成的自驅動物質等。活性物質研究是近年發展迅速的跨學科領域。這些系統蘊含的自組織（即個體之間相互影響而產生有序結構的過程）原理可以應用於再生醫學、仿生材料和自驅動納米機械人等領域。

從研究湍流現象發現穩定有序的渦旋圖案

湍流現象無處不在，例如：發生於江河與空氣中的湍流（如漩渦、旋風）、冷原子組成的量子流體、活細胞組成的生物流體，甚至星際物質都有湍流現象，其重要特徵是隨機、無序、瞬間消失。是次研究，以觀測由活細菌組成的稠密活性流體中的湍流圖案開始。

中大物理系團隊首次在實驗中觀測到，由活細菌組成的生物流體（活性物質）能自發地從湍流中演化出穩定有序的大規模渦旋陣列。每個渦旋約為厘米大小，由約數萬個微米大小的活躍細胞組成，這些渦旋排列成具有明顯晶格特徵的六角點陣，而渦旋中的單個細胞以協調有序的方式旋轉。團隊利用單細胞跟蹤和數值模擬追蹤細胞活動，結果顯示這種現象源於單個細胞的移動速度隨著附近細胞集體運動的有序程度而增加，團隊稱這一機制為「自增強流動性」。

全新物理機制解釋有序生物結構的形成

生物學上，一般認為有序圖案的形成通常源於化學機制，包括細胞之間複雜的化學訊號傳遞、基因調控等。此研究發現一種全新的物理機制，使得生命物質藉由純粹的物理相互作用亦可形成跨尺度的大規模有序空間結構。

吳教授說：「我們的研究發現了一種新的力學機制，來理解生命系統當中的大規模有序結構的產生。相比化學或基因調控，以物理機制解釋生物結構的形成較為簡單，有助理解細胞質的有序流動，以及動物胚胎發育過程中的大規模細胞運動；日後或可應用於再生醫學中的組織工程，或製造新的仿生設備或材料等。」

徐博士補充：「這一機制甚至可用作解釋處於液態至固態邊緣的其他活性物質系統產生『秩序』的原理，可應用的範疇十分廣泛。」

該研究獲香港研究資助局、國家科技部、國家自然科學基金委員會，以及新基石科學基金會等機構資助。論文全文請參閱﹕https://www.nature.com/articles/s41586-024-07114-8。

[1] 生命系統包括八個層次，從小至大為細胞、組織、器官、系統、個體、種群、群落、生態系統。