对外界环境感知并指导自身的运动是生物最基本的技能之一。本文采用微流体技术和系统生物学建模结合的方法，定量研究了大肠杆菌对时空变化浓度场的趋化响应，以及趋磁螺菌在不同磁场强度和氧气浓度的趋磁及趋氧反应。本文的研究深化了对趋向行为机制和原理的理解。　　首先，在微流系统中构造了时间周期性变化、空间梯度分布的浓度场，以研究大肠杆菌群体的趋化响应。实验中发现，细菌群体的响应强烈依赖于外界小分子震荡的频率:小分子震荡频率低时，细菌群体的相位与小分子相同;但是当外界信号频率高时，群体震荡与外界信号相位相反，表现为寻找“不利”的环境。这种行为不能被经典趋化模型KS模型描述。而当将甲基化造成的延迟引入KS方程，即将信号通路考虑进群体水平模型后，模拟的结果与实验结果符合得更好。这是第一个在时空变化环境中进行的趋化反应研究，新建立的模型参考了细菌自身的信号传导通路，比之前的模型更具普适性。　　另外，通过在芯片上建立对气体浓度的精确控制，微好氧的趋磁螺菌Magnetospirillum magneticum AMB-1对磁场的响应得到研究。单细胞跟踪发现，双极生鞭毛的AMB-1有三种运动状态，在较低强度的磁场强度下，细菌通过调节三种运动状态的时长和比例实现对磁场的主动感应。而在较高的磁场强度下，细菌表现为被动地与磁场方向平行排列。实验结果解决了30年以来关于趋磁行为是主动还是被动的争论。通过基因敲除实验确定了唯一的MCP类型的趋磁受体Amb0994，该受体参与将机械信号转变为化学信号并传递给鞭毛马达蛋白。这是第一个对趋磁行为的定量研究，首次提供了趋化网络参与趋磁行为的确切证据。