与非均匀环境间接耦合动力系统的文献综述
摘要：许多器官能够感应周围环境的群体密度并且一旦群体密度达到临界值时集体就会启动新的行为。这种依赖于密度的行为就是常说的群体感应，群体感应在细菌、粘液菌和酵母菌的生命周期中扮演了极其重要的作用。群体感应系统中的个体的交流是通过扩散在周围环境中的信号分子来实现的。越来越多的证据表明群体感应是在一个复杂的环境中产生的，这个环境可能在物理和化学上是不均匀的。当动态环境不再均匀时，群体密度在时空模式的选择中发挥怎样的作用以及怎么发挥作用，在很大程度上是未知的。本文结合前人研究成果对于非均匀环境耦合动力系统的研究进行了大量详实的文献综述。
关键词：非均匀环境、间接耦合、群体感应、种群密度
同步及其模式的形成是非平衡系统中非常值得注意的自组织行为。自组织行为的出现不仅依赖于个体行为还依赖系统元素之间的相互作用的方式。这些相互作用的强度往往与种群密度或数量有关，而种群密度或数量在调节自组织动力学中起着关键作用。众所周知的一个例子就是和细菌有关的，增加种群密度会引起静态到集体振荡的转变，这个转变就能够激活基因表达[1]。这个过程就是我们已知的群体感应过程，在这个过程中细胞利用释放到胞外空间的化学信号分子来实现细胞之间的交流。类似的群体感应过程在酵母菌和粘液菌中都有观察到。群体感应的概念与细菌细胞的简单交流有关，目前，这个概念已经被推广到各种非生物系统，如化学振荡和激光[2]。
化学振荡就是一种基于铁蛋白催化剂的Belousov-Zhabotinsky反应，铁蛋白催化剂可以在系统处于红色的还原态和蓝色的氧化态之间进行指示。这个反应的主要特点由图1显示。在循环振荡的过程中（图1a），活化剂HBrO2可以催化自身的生成：一个HBrO2分子和HBrO3分子反应产生两个BrO2自由基。HBrO2参与反应越多，BrO2自由基产生得就越快。
如图1b所示，氧化的铁蛋白与溴丙酸(BrMA)反应会生成还原的铁蛋白和抑制剂Br-。这个反应的一种产物是抑制剂Br-，会消耗HBrO2和关闭HBrO2的自催化。当大部分铁蛋白还原后，Br-的生成就会减慢，HBrO2水平又开始上升，这个循环就会重新开始。这个振荡系统会一直持续到原始的HBrO3分子被消耗掉。
图1：BZ反应的主要特征，包含了化学振荡反应中的主要反应和化学物质
在这个系统中，研究者把铁蛋白加载到直径为200um的孔交换粒子上，这些粒子被放置在含有其他化学物质的溶液中。在每一个粒子上，反应由上面描述的那样进行；在剩下的溶液中，HBrO2不能被产生，但是可以被Br-反应消耗掉[3]。
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