感知环境变化、对感知的信息加工处理并做出相应的响应是生命的基本特征。生物的化学趋向性是其中典型的代表,许多生物具有响应化学物浓度变化、趋利弊害行为。其中,大肠杆菌的趋化性是生物学中研究得最为清楚的信号传导系统之一。由于其结构简单却拥有丰富的生物学行为特性,如稳健的适应、对信号的放大、超敏感响应等,大肠杆菌趋化性已成为理想的模式系统,是生物物理等交叉学科的重要研究素材。到目前为止,细菌趋化性研究领域里大多数出色的成果都是通过对固定住的细胞施加时序变化的化学浓度信号研究得到的,这些测量结果使我们对细菌趋化性信号通路的动力学性质有了深刻的理解。然而,自然状态下细菌是主动游动的,并且环境中的化学物质浓度既会有空间上的梯度,也会随时间变化。细菌在这样复杂的环境下的趋化行为并不能由先前方法研究的结果直接来理解。本论文从实验和理论两个角度来研究在时空变化环境下细菌的趋化行为。　　论文主体可以分为三个部分:　　1.应用微流控技术设计出能够定量控制细菌微环境的实验装置。在实验中定量研究生物趋化性的最大挑战在于如何精确控制时空变化的化学物浓度环境。通过创新设计和微加工方法,我们首次在微流芯片中实现了对细菌微环境的精确时空控制。空间控制精度可达微米量级,时间控制精度可达秒量级,并在百微米的空间尺度上实现了周期从几十秒到几十分钟的振荡浓度梯度的精确控制。此实验设施的开发成功不仅满足了本论文研究工作的需要,也为今后定量研究分子生物学与细胞生物学提供了有力的工具。　　2.定量观测了大肠杆菌对天冬氨酸浓度梯度的周期变化的响应行为。我们将细菌置于时空变化的环境中研究细菌对环境的响应。第一次发现了细菌群体的行为模式与浓度梯度的变化频率有关:低频下,菌群的运动与浓度场的变化同步;而高频下,菌群的响应滞后于浓度梯度的变化,甚至会选择聚集在低浓度区域。进一步的理论分析确定,这一现象是由于细菌趋化通路中适应调节的速率有限造成的。而描述细菌群体趋化行为的经典模型中没有考虑细胞内信号通路的性质,在快速变化的环境下失效。此研究成果指出了描述大肠杆菌化学趋向性的经典模型的不足,并为建立新的模型提供了实验依据。　　3.建立了能更准确地描述时空变化环境下细菌行为的平均场模型。我们微流实验中新的发现激励了我们建立一个能更准确地描述时空变化环境下细菌行为的新模型,该模型要基于微观上细胞内的趋化通路,描述宏观群体行为的特征。然而从分子通路到群体行为跨越多个时间和空间尺度,如何在一个模型中把它们联系起来本身是个很大的挑战。通过对趋化通路的时间尺度分析,我们选择了受体甲基化水平这个量来表征细菌的内部状态。这是由于甲基化过程弛豫时间长,可以充当细胞对化学环境的记忆。这样只用考虑这个量的动力学性质,其他的生化过程都可以做准平衡态处理。我们引入了“甲基化水平场”,用它与细菌密度场耦合的方程组,得到了第一个基于信号通路的描述细菌趋化行为的平均场模型。该模型可以联系细菌群体水平上的行为特征与分子水平上的生化反应的参数,并揭示了菌群漂移速率与信号通路的适应速率之间的标度率关系。使用这个模型,我们预测了时空变化环境下细菌行为新的反常现象:行波浓度环境下细菌群速率会惊奇地反发生反转。对简单的原核生物的化学趋向性进行定量研究不仅有助于我们对原核生物的　　信号转导系统有更加深入地了解,也可以帮助我们理解高等生物感觉系统的工作机制,并从中发现生物系统的最基本的规律。其研究成果不论在科学研究领域,如系统生物学,还是在工程领域,如合成生物学,都具有重要的研究价值。