趋利避害性是生命体实现生存繁衍的基本属性之一,也是有别于非生命体的最重要特征。而对于最简单的生命形式之一——细菌的趋化性研究,意义更为深远。一方面,细菌侵染宿主以及诱发病害的能力均与其趋化性息息相关,对细菌趋化行为的研究可以帮助我们更好地理解病原细菌的感染与致病机制;另一方面,细菌作为地球上最早出现的生命形式之一,其趋化性的研究对于我们探索与理解生命演化的保守性规律以及复杂生命体系的觅食迁徙等生理行为具有深远的借鉴意义。关于细菌趋化行为的研究已经持续半个多世纪,早期研究者将视野主要集中于周身鞭毛细菌在三维自由液体环境中的趋化运动并对其内部机制有了较为深入的理解。然而细菌的鞭毛位置分布形式并不单一,其所处物理环境亦多种多样,由此探究各式鞭毛细菌在不同物理环境下的趋化行为便颇有意义。本文借助三维细菌追踪、微流体芯片、活体细菌鞭毛染色以及荧光共振能量转移术等实验技术与方法的联合应用,开创性地研究了二维拥挤环境下周身鞭毛模式菌株大肠杆菌以及三维自由环境中极性单鞭毛模式菌株铜绿假单胞菌的运动模式和趋化行为,对前人相关研究进行了有机补充,深化了对微生物趋化行为的理解。在低细胞密度的三维液体环境中,细菌间的相互作用效果可忽略不计,周身鞭毛的大肠杆菌通过交替切换“run”与“tumble”两种运动模式进行有偏向的随机行走从而实现趋化游动。而在群集运动（swarm）体系等复杂拥挤的二维环境中,由于界面效应及空间位阻效应的影响,大肠杆菌不再按照原有的模式实现游动,此时细菌趋化性的有无以及实现趋化行为的具体运动机制尚不明晰。通过对大肠杆菌群集体系内部单细胞个体的研究,使其脱离群集体系密集环境而进入三维自由液体环境后,我们发现其仍能执行“run-tumble”的运动模式,并且仍然可以感知空间刺激物梯度进行趋化运动,这说明趋化性是细菌的固有属性之一,在不同细菌形态中都是稳健存在的。此外,通过在琼脂环境中构建化学物质空间梯度,我们首次在实验上观察到了周身鞭毛菌株群集运动体系的宏观趋化行为。随着实验推进,我们发现群集体系的趋化能力会随细菌密度提升而增强,并且这两者的变化趋势与细菌密度诱发的局部胞体轴向对齐度的改变具有高度协调同步性。经过理论分析我们发现,处在群集运动体系中细菌在流体力学作用下会趋于形成沿胞体轴向对齐的团簇从而共同游动,这会延长群集运动体系中细菌直行游动的特征时间,进而增强其朝向有利刺激的漂移速度。结合实验观察与理论模拟,我们证实群集运动体系中,细菌成簇的集体运动通过影响局部细菌胞体轴向对齐程度从而影响整体的趋化能力。这一发现不仅可以进一步加深我们对于自驱动粒子体系以及活性物质系综中集体现象的理解,而且还能为肠道微环境中细菌种群迁移及生物被膜形成的研究起到一定的启发作用。细菌趋化策略的选取一方面需考虑外部物理环境的差异,另一方面取决于细胞自身的形态学特征。接下来,我们将研究的目光转向一种极性单鞭毛细菌,铜绿假单胞菌。作为一种机会致病菌,该细菌在自由液体环境中采取“run-reverse”的运动模式。该运动模式使得其在鞭毛马达转向切换时游动方向的改变十分有限,这不利于细菌找寻优良栖息环境以及规避不利刺激,我们猜测该细菌肯定拥有其他实现高效趋化的策略。我们通过活体细菌鞭毛染色及单细胞追踪等技术手段,首次发现一种全新的运动模式—wrap态,期间鞭毛丝缠绕在胞体周围并持续转动。我们测量了该模式下细菌的运动特性,惊奇地发现wrap态可以使胞体运动方向随机化,这会增强细菌探索周围环境的能力。结合随机模拟我们证实该状态可以大幅提升铜绿假单胞菌的趋化运动效率。相关研究填补了铜绿假单胞菌趋化行为研究领域的一项空白,对理解该菌株扩展入侵与致病机理同样具有重要意义。本文对大肠杆菌群集运动体系趋化性以及铜绿假单胞菌游动模式与趋化行为的研究,加深了我们对于哺乳动物体内细菌种群整体迁移、生物被膜形成、病原菌侵染宿主以及诱发病害等生理过程的理解。这对于人体内消化道肿瘤的成因研究与动态监测具有一定的医学意义,同时对于高灵敏生物传感器与微型机器人的探究设计也存在一定的仿生学启发。