Nonlinear amplitude dynamics in flagellar beating
鞭毛和纤毛跳动的物理基础是生物学中的一个主要问题，至今仍远未完全理解。纤毛和鞭毛的基本细胞骨架结构是轴丝，轴丝是由被动交联剂和动力蛋白马达蛋白连接的微管双联体的圆柱形阵列。这些元素的复杂相互作用导致自组织弯曲波的产生。虽然已经提出了许多数学模型来理解这一过程，很少有人试图评估动力蛋白对轴丝非线性性质的作用。在这里，我们研究鞭毛的非线性动力学考虑轴丝滑动控制机制的动力蛋白活性。这种方法揭示了振荡幅度的非线性选择，这通常是错过或规定在数学模型。导出了显式的非线性方程组，并进行了数值求解。我们的分析揭示了动力蛋白种群和鞭毛形状的运动活动，介质粘度和鞭毛弹性的不同制度的时空动态。不稳定模式饱和通过耦合动力蛋白动力学和鞭毛形状，而不需要调用非线性轴丝响应。因此，我们的工作揭示了一种新的机制，饱和的不稳定模式轴丝跳动。
2017-03-09 physics.bio-ph
Coordinated Beating of Algal Flagella is Mediated by Basal Coupling
纤毛和鞭毛经常表现出同步的行为;这包括锁相，如在{ \it Chlamydium}中所见，以及高等生物呼吸纤毛中的异时波形成。自从格雷和罗斯柴尔德观察到附近游动的精子的相位同步以来，人们一直认为同步是由跳动的细丝之间的流体动力学相互作用引起的。从多细胞藻{ \it Volvox}中分离的物理分离的鞭毛对的动力学的最新研究表明，单独的流体动力学耦合足以产生同步。然而，在鞭毛很少的单细胞生物中，情况更为复杂。我们发现，鞭毛的{ \it衣原体}突变体缺乏的鞭毛连接之间的基体显示显着不同的同步从野生型。我们进行显微操作的鞭毛的配置，并得出结论，一个机制，内部的细胞，必须提供一个额外的鞭毛耦合。在自然发生的物种与4，8，甚至16鞭毛，我们发现不同的对称性的基体定位和鞭毛装置，是一致的特定步态的鞭毛驱动，这表明它是一个竞争之间的细胞内耦合和流体动力学的相互作用，最终确定精确的形式鞭毛协调单细胞藻类。
2016-05-17 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Travelling waves are hydrodynamically optimal for long-wavelength flagella
游动的真核微生物，如精子、藻类和纤毛虫，利用称为鞭毛的细长附属物的行波状变形在粘性流体中自我推进。波是主要的，因为珀塞尔的扇贝定理排除了运动的时间可逆运动学。使用变分法的周期性的长波长模型的鞭毛游泳，我们表明，平面鞭毛运动学最大化的时间平均推进力为一个固定的能量耗散在周围的流体对应的所有时间的波以恒定的速度，潜在的弯曲的中心线，与推进总是在相反的方向上的波。
2020-11-17 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Ciliary beating patterns map onto a low-dimensional behavioral space that accords with a simple mechanochemical model
生物系统对遗传和环境水平的扰动都是稳健的。然而，这些相同的扰动可以引起行为的变化。纤毛和鞭毛的跳动在细胞器水平上体现了功能稳健性和行为变异性之间的相互作用。纤毛的复杂弯曲模式来自数百种不同蛋白质的协调活动。纤毛是能动的，尽管广泛的遗传多样性之间和物种内，ATP和钙的细胞内浓度的巨大差异，以及相当大的环境波动的温度和粘度。与此同时，这些扰动导致了各种时空模式，这些模式跨越了一个丰富的、迄今为止尚未被描绘出来的行为空间。为了研究这种行为空间，我们分析了34种不同环境和遗传条件下单细胞藻类莱茵衣藻的孤立纤毛的动态。我们发现，尽管拍频和振幅的变化很大，波形形状的空间是低维的。两个特点，抛物线和不对称的正切角，占百分之八十的观察到的变化。值得注意的是，这种行为空间的几何形状符合一个简单的机械化学模型在低粘度制度的预测。这使我们能够将波形形状的变化与动力蛋白马达的曲率响应系数的变化联系起来。我们的工作表明，尽管纤毛的分子复杂性，拍变化的空间是低维的，可以归因于动力蛋白马达的机械化学调节的变化。
2021-06-01 physics.bio-ph q-bio.CB
Synchrony and symmetry-breaking in active flagellar coordination
生物表现出显著的运动机制多样性，进化出专门与环境相互作用的结构。在绝大多数情况下，运动行为，如飞行，爬行和跑步，是由神经系统协调的。令人惊讶的是，微生物可以使用称为纤毛和鞭毛的多个快速移动的细胞突起来制定类似的游泳运动步态。在这里，我展示了不可逆性，可逆的节奏，和步态mechanosensitivity在藻类鞭毛，揭示运动模式的积极性质。除了保持自由游泳的步态，我表明，藻类鞭毛装置的功能作为一个中央模式发生器，编码的殴打网络中的每个鞭毛在一个可区分的方式。后者为细胞重定向提供了一种新的破膜机制。这些发现意味着产生和协调复杂运动模式的能力不需要神经回路，而是简单的单细胞生物中存在的最小成分。
2019-11-03 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
The counterbend dynamics of cross-linked filament bundles and flagella
交联的纤维束，如纤毛和鞭毛，在生物学中普遍存在。它们在教科书中被认为是具有较大刚度的简单长丝。然而，最近的鞭毛counterbend的观察表明，诱导弯曲的一个部分的被动鞭毛煽动一个补偿性的反曲率在其他地方，暴露了复杂的作用，在大规模的小交联蛋白。我们发现，这种效果，交联力学的材料属性，修改束动力学非平凡，并诱导双峰$L^2-L^3$长度依赖的材料响应，从欧拉-伯努利理论出发。因此，使用更简单的理论来分析实验可能会导致自相矛盾的解释。值得注意的是，counterbend动力学煽动反波反对驱动振荡在遥远的部分束，与潜在的影响鞭毛弯曲波的监管。这些结果有一系列的物理和生物学应用，包括通过counterbend动力学的材料量的经验解纠缠。
2017-03-12 physics.bio-ph
Beat regulation in twisted axonemes
纤毛和鞭毛是毛发状的细胞器，推动细胞通过液体。纤毛和鞭毛内的运动结构轴丝的主动运动由动力蛋白家族的分子马达提供动力。这些马达产生力和力矩，使轴丝内的微管对滑动和弯曲。为了产生规则的波形，动力蛋白的活动必须协调。据认为，协调是介导的应力，由于径向，横向或滑动变形，建立在移动轴丝。然而，哪一个特定的组成部分的压力调节电机产生观察到的鞭毛波形仍然是一个悬而未决的问题。为了解决这个问题，我们将轴丝描述为一个三维的纤维束，并描述其力学特性。我们表明，调节电机的径向和横向应力可以导致一个协调的鞭毛运动，只有在扭曲的存在。相比之下，通过剪应力的调节是可能的，而不需要扭转。我们计算紧急跳动模式扭曲轴丝由横向应力的调节。波形与衣原体鞭毛和精子中观察到的波形相似。由于扭曲，波形具有非平面分量，这导致游泳轨迹，如扭曲的带状物和螺旋线，与观测结果一致。
2015-11-24 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Dynamic curvature regulation accounts for the symmetric and asymmetric beats of Chlamydomonas flagella
轴丝动力蛋白是负责纤毛和鞭毛跳动的分子马达。这些马达在轴丝内相邻的微管对之间产生滑动力，轴丝是鞭毛内的运动细胞骨架结构。为了产生有规律的、振荡的搏动模式，轴丝动力蛋白的活动必须在空间和时间上协调。人们认为协调是由运动轴丝内积累的应力或应变介导的，但不知道应力或应变的哪些成分参与其中，也不知道它们如何反馈动力蛋白。为了回答这个问题，我们使用了孤立的，重新激活轴丝的单细胞衣原体作为模型系统。我们推导出一个理论的轴丝的二维模型中的节拍调节。然后，我们测试的理论，通过测量的野生型轴丝，其中有不对称的节拍，和突变体轴丝，其中的节拍几乎是对称的，使用高精度的空间和时间成像的节拍波形。我们发现，由于衣原体纤毛的长度较短，滑动力的调节不能解释测量的节拍。我们发现，法向力（它倾向于分离相邻的双峰）的调节不能令人满意地解释mbo 2突变体的对称波形。这是由于该模型的失败，产生相互抑制轴对称跳动轴丝。最后，我们表明，曲率调节符合测量。出乎意料的是，我们发现，相位的曲率反馈表明，动力蛋白的轴丝曲率的动态（即随时间变化）的组成部分，而不是由静态的。我们的结论是，高通滤波的曲率信号是一个很好的候选人的信号，反馈到协调运动活动的轴丝。
2015-11-13 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.SC
Eukaryotic swimming cells are shaped by hydrodynamic constraints
本研究借助BOSO-Micro数据库，从流体动力学角度验证真核游泳细胞形态的最优性：鞭毛振幅波长比接近推进效率最优值，纤毛虫纵横比接近阻力最小化数值，证明流体约束对细胞形态的关键塑造作用。
2023-10-05 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Beating of eukaryotic flagella via Hopf bifurcation of a system of stalled molecular motors
提出基于滑动反馈的非线性多尺度模型，连接分子马达微观动力学与鞭毛宏观运动，并经线性稳定性分析和非线性模拟验证其通过 Hopf 分岔产生自发拍动。
2024-12-08 cond-mat.soft nlin.AO physics.bio-ph
Hydrodynamic flow patterns and synchronization of beating cilia
本文计算了在远离附着于物体表面的周期性摆动纤毛的情况下产生的流体动力学流场。在两个跳动的纤毛的情况下，流体动力学相互作用可以导致纤毛的同步，纤毛是非线性振荡器。我们提出了一个状态图，同步状态发生的纤毛的距离和相对方向的节拍的函数。同步状态以不同的相对相位出现。此外，还存在异步解决方案。我们的工作可能是相关的同步运动的纤毛产生的细胞表面上的流体动力学流动。
2006-05-23 physics.bio-ph q-bio.CB
Axonemal bending stiffness of $\mathit{Chlamydomonas}$ cilia implies single-motor forces above $5\,\mathrm{pN}$
TU Dresden（德累斯顿工业大学）；Cluster of Excellence Physics of Life, TU Dresden（德累斯顿大学生命物理卓越集群）；B CUBE, TU Dresden（德累斯顿大学B CUBE中心）
本研究通过衣藻轴丝弯曲刚度估算动力蛋白马达的峰值力下限，发现其超过典型失速力，暗示刚度或集体力机制需重新评估。
2026-10-01 cond-mat.soft physics.bio-ph
Hydrodynamic Synchronization between Objects with Cyclic Rigid Trajectories
由长程流体动力学相互作用引起的同步作为纤毛和鞭毛协调跳动背后的候选机制引起了人们的注意。本文考虑低雷诺数限制下的流体动力学同步的极小模型。该模型由转子组成，每个转子被假定为在周期性变化的驱动力下形成固定轨迹的刚性珠。本文通过线性分析，导出了双转子同步的充要条件。我们还推导出一个非线性演化方程的相位差，这是减少到最小化的一个有效的潜力。计算了各种轨迹形状和几何形状（无论是散装或substrated）的有效潜力，为确定系统的稳定和亚稳态。有限大小的轨迹诱导的电位的不对称性，这也依赖于敏感的轨迹的倾斜。我们的研究结果表明，纤毛或鞭毛的灵活性是{ \it不}一个必要的同步运动，在以前的预期相反。我们讨论了直接实现该模型的可能性，并通过光驱动胶体验证了我们的结果。
2012-11-23 cond-mat.soft nlin.AO physics.bio-ph
The reaction-diffusion basis of animated patterns in eukaryotic flagella
本研究提出极简几何非线性反应扩散系统，从第一性原理推导其作为真核生物鞭毛搏动模式的基础，成功解释公牛精子与莱茵衣藻的鞭毛搏动，揭示高内耗下自主行波的游动机制。
2023-05-26 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Long-range interactions and phase defects in chains of fluid-coupled oscillators
真核生物的纤毛和鞭毛是化学机械振荡器，能够产生长距离的协调运动，称为异时波。对同步是这些集体动力学的基本要求，但它通常不足以集体锁相，主要是由于长程相互作用的影响。在这里，我们探索实验和数值计算的一个纤毛表面的极小模型，流体动力耦合振荡器旋转以上的无滑移平面。由于流体动力相互作用范围的变化，增加它们与壁面的距离深刻地影响了全球动力学。阵列经历从行波到稳定的人字形图案或被周期性相位缺陷打断的图案的过渡。在这些制度之间的过渡，系统显示的行为让人想起嵌合体状态。
2016-06-02 cond-mat.soft math.DS physics.bio-ph
A model for African trypanosome cell motility and quantitative description of flagellar dynamics
对原轮T. Brucei是以定常振荡和行波的形式表示的。利用数字视频显微镜对锥虫鞭毛波形的运动学进行量化。从弹性弦的Bernoulli-Euler弯扭模型出发，建立了具有内部力和扭矩分布的弹性弦的理论模型。动力学是由分子马达沿着弦的作用在内部驱动的，分子马达的作用与局部位移成比例，因此与局部曲率成比例。模型方程是一个四阶非线性偏微分波动方程，包含Korteweg-de Vries（KdV）方程和修正KdV方程特有的非线性项。对于不同的参数范围，我们得到了扭结孤子，呼吸孤子，和一类新的解决方案所构成的光滑分段连接的圆锥函数弧（如椭圆）。预测的振幅和波长与实验结果吻合较好。我们还提出了一个逐步的运动学模型的前循环非洲锥虫游泳的假设。
2004-06-16 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.QM
Dynamics of Immobilized Flagella
尽管在100多年前发现非洲锥虫时就描述了其螺旋状的“游泳”运动，但锥虫鞭毛运动的精确生物力学和生物物理特性尚未阐明。在这项研究中，我们描述了五种不同模式的鞭毛拍/波模式在非洲锥虫通过显微镜检查化学拴系细胞的鞭毛运动。不同的节拍/波模式的动态性质表明，在布氏锥虫鞭毛运动是一个复杂的混合物的振荡波，刚性弯曲，螺旋扭曲和非线性波。有趣的是，我们已经观察到孤立的抑郁症波沿鞭毛膜，这表明该系统的动力学的非线性机制。物理模型的灵感来自于梁的二维弹性动力学，并考虑到分子马达扭矩的均匀分布和曲率中的非线性项。
2003-09-04 nlin.AO nlin.PS physics.bio-ph
Spontaneous waves in muscle fibres
机械振荡对于许多细胞过程都很重要，例如纤毛和鞭毛的跳动或毛细胞对声音的感觉。这些动力学状态起源于分子马达的自发振荡。在非生理条件下的肌纤维中观察到了这种振荡的一个特别明显的例子。在这种情况下，电机振荡导致沿着纤维的收缩波。通过对肌纤维动力学的宏观分析，我们发现自发波涉及非流体动力学模式。肌节动力学的一个简单的微观模型突出了电机动力学的机械方面，并符合实验观察。
2009-01-28 physics.bio-ph q-bio.TO
