从粘在牙齿上的牙菌斑，到池塘里的浮渣，生物膜几乎无处不在。细菌生物膜通常被定义为附着在表面的细菌菌落。各种各样的细菌菌落生长在我们的皮肤上、隐形眼镜上、肠道里和肺部……无论是在下水道，还是植物表面，甚至在海洋中，都有它们的踪迹。
在23℃的环境中，霍乱弧菌（V.cholerae (EPS+)）在大约170小时间里，从单个细胞中的生长。有研究表明，人体80%的感染都可以归结为生长在生物膜中的细菌。虽然生物膜在自然界无处不在，研究它们却很困难。因为这些“微生物之城”都是极微小的个体，科学家一直很难成功对它们成像。
不过，这种情况在2015年发生了改变。
当时，科学家开始思考，是否能将物理学和材料科学中常用的成像技术——干涉测量应用于生物膜研究。在一项开创性的新研究中，一个研究团队利用这种技术探索了这些生物膜是如何生长的。他们的研究结果表明，生物膜的适合度，也就是它们生长、扩张和从培养基或者基质中吸收养分的能力，很大程度上受到生物膜边缘与基质的接触角度的影响。研究还发现，这种几何形状对适合度的影响比其他任何因素都大。
研究结果已经被发表在近期的《自然·物理》杂志上。
在这项创新的生物膜实验中，团队利用干涉测量研究了菌落的形状如何随时间变化。这项技术不仅简单、有效、省时，还能提供纳米级的细菌菌落分辨率，以超分辨率获得菌落的“地形图”，也就是菌群表面的形状。他们注意到，每个菌落在很小的时候都呈指数增长，而且它们都有一种特定的球冠形状——看起来就像是球体顶部的切片。这种形状在物理学中经常出现，它是一种表面最小化的形状。
然而，随着菌落的生长，它们会开始偏离这个形状。这是因为，营养物质的扩散和吸收会限制菌落中间部分的生长，导致中间部分可能发生屈曲和起皱。但是，在菌落的边缘，总有一个足够薄的、能够克服扩散限制、呈指数增长的区域，它会进一步在介质上扩展，而中间的细胞则向上生长，形成了一个类似煎鸡蛋的形状——你可以把鸡蛋的蛋白想像成向外扩展的部分，而中间的蛋黄只是向上生长的部分。
换句话说，由于中间的细胞只对生物膜的高度起作用，想要确认菌落在表面上扩散的速率，就只需要计算生物膜边缘的细胞数量，以及它们生长和扩散所需的形状。在将研究结果纳入数学模型后，他们发现，最重要的因素是接触角度，也就是生物膜的边缘在接触生长的表面时形成的角度。就生物膜的生长来说，这一个几何特性甚至比它繁殖细胞的速度更重要。
这项结果非常惊人——科学家虽然已经预料到几何形状会发挥重要作用，但没有想到它几乎是唯一最重要的因素。
这个研究项目从构思到发表历时三年多，但团队认为，这一切都是值得的。了解生物膜如何生长，以及哪些因素影响着生物膜的生长速度，可以为控制生物膜提供重要线索，进而帮助应用在健康和卫生的各个方面，比如预防感染或者创造出更清洁的表面。当然，生命是复杂的。目前的模型来自生物膜在受控实验室环境中的行为方式。在自然界，生物膜生长的表面可能不像实验室表面那么一致，菌落也可能会产生不同的突变，或者可能由多个物种组成。
未来还有很多可能的研究途径，比如生物膜之间的竞争实验——更大的菌落会不会改变接触角，从而更快地扩散？这种几何形状在竞争中又会起到怎样的作用？