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
Flagellar Synchronization Through Direct Hydrodynamic Interactions
微尺度流体流动所产生的合奏殴打真核生物鞭毛是至关重要的基本过程,如发展,运动和传感。尽管实验和理论取得了重大进展,但这种惊人协调背后的物理机制仍不清楚。在这里,我们提出了一个新的一系列的实验中,鞭毛动力学的两个微量移液器举行的团藻carteri的体细胞,具有可测量的不同的固有跳动频率,研究了高速成像作为其相互分离和方向的函数。从跳动的时间序列的分析,我们发现,鞭毛间的耦合,这是由细胞之间的化学和机械连接的缺乏纯粹的流体动力学的约束,表现出与理论预测一致的空间依赖性。在紧密的间距,它产生强大的同步,可以占主导地位的数千鞭毛节拍,而在增加分离这种同步系统退化的随机过程。相对鞭毛方向的操纵揭示了同相和反相同步态的存在,这是符合动力学理论。通过动态鞭毛跟踪与精致的时空精度,我们量化的变化,结果从改变耦合配置和分离距离的跳动波形。本研究的实验结果明确证明,鞭毛耦合单独通过流体介质可以实现强大的同步,尽管显着差异,其内在特性。
2014-03-09 cond-mat.soft q-bio.CB
Elastohydrodynamic Synchronization of Adjacent Beating Flagella
现在已经确定,真核生物的鞭毛或纤毛的相邻跳动对通常在相位上同步。大量的证据支持这一假设,即活动细丝之间的流体动力学耦合,结合波形顺应性,提供了一个强大的同步机制。这种弹性流体动力学机制已被纳入“珠-弹簧”模型,其中鞭毛由径向弹簧束缚的微球体代表,因为内力驱使它们绕轨道运动。虽然这些低维模型再现了同步现象,但它们的参数并不容易与鞭毛的参数相关。更现实的模型,反映轴丝的弹性和主动力的产生采取四阶非线性偏微分方程的形式。虽然计算研究已经表明同步性,由这样的模型所支配的附近的细丝之间的流体动力学耦合的影响已被理论上只在鞭毛间距离$d$大的鞭毛长度相比$L$的制度检查。然而,在许多生物学情况下,$d/L \ll 1$。在这里,我们首先提出了一个渐近分析的两个细丝之间的水动力耦合的制度$d/L \ll 1$,并发现耦合的形式是独立的细节的内力,支配的细丝的运动。这种分析类似于涡丝运动的局部感应近似,并推广到互感的情况。要了解如何耦合机制导致同步的扩展对象,我们引入了一个启发式模型鞭毛跳动,一个单一的四阶非线性PDE的形式是来自对称性的考虑,弹性物理,和过阻尼性质的动态。该模型的分析和数值研究说明了如何通过渐近耦合实现两个灯丝之间的同步。
2016-10-11 cond-mat.soft q-bio.CB
ATP consumption of eukaryotic flagella measured at a single-cell level
纤毛和鞭毛的运动由数千个动力蛋白马达驱动,这些马达水解三磷酸腺苷(ATP)。尽管进行了数十年的遗传、生物化学、结构和生物物理研究,但纤毛运动的某些方面仍然难以捉摸,例如这些纳米机器的跳动模式和能量效率的调节。在这里,我们介绍了一种实验方法来测量ATP消耗的积极跳动轴丝在单细胞水平上。我们封装个别海胆精子与脱膜鞭毛内的油包水乳液液滴和测量的轴丝ATP消耗通过监测荧光团耦合的报告系统的ATP营业额的荧光强度的液滴。伴随相衬成像使我们能够提取ATP消耗率和鞭毛跳动频率之间的线性依赖关系,每拍脱膜鞭毛消耗约2.3e5 ATP分子。增加水性介质的粘度导致轴丝的修改的搏动波形和每个搏动周期的更高的能量消耗。我们的单细胞实验平台为鞭毛的跳动机制提供了新的见解,也为未来的研究提供了有力的工具。
2015-12-21 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Antiphase Synchronization in a Flagellar-Dominance Mutant of Chlamydomonas
一组组的鞭毛或纤毛通常是同步的,这样相邻的鞭毛就有相同的频率和相位。一个最好的例子是单细胞双鞭毛虫莱茵衣藻,它通常在低雷诺数的蛙泳中表现出同步的同相跳动。我们在这里报告的发现,ptx1,鞭毛优势突变体的C。reinhardtii,可以表现出精确的反相同步,如在自由泳泳中。长时间的高速成像显示,ptx1鞭毛开关stochemical同相和反相状态之间,后者有一个独特的波形和显着更高的频率,这两者都是惊人的相似,发现在相位滑移stochemical中断同相跳动的野生型。这些意见的可能机制进行了讨论。
2013-04-29 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Elastohydrodynamic synchronization of rotating bacterial flagella
为了连续旋转而不被卡住,细菌的鞭毛丝需要被锁定在相位上。虽然已经提出了几种真核生物鞭毛的模型,但细菌鞭毛的同步化还不太清楚。从一个简化的柔性和流体动力学耦合的细菌鞭毛模型出发,我们严格粗粒的运动方程,使用多尺度的方法,从而表明,细菌鞭毛一般同步到零相位差通过弹性流体动力学机制。值得注意的是,同步的远场速率在弹性顺应性的中间值处最大化,对细菌具有令人惊讶的影响。
2022-03-29 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
A three-sphere swimmer for flagellar synchronization
在最近的一封信中(Friedrich等人,物理修订版信函109:138102,2012),提出了一种最小模型游泳者,其通过一对球体的旋转运动在低雷诺数下推进自身。两个球体的运动可以通过取决于游泳者的运动的流体动力学耦合而同步,但与直接的流体动力学相互作用无关。这种新的同步机制可以解释一对鞭毛的同步,例如在绿藻衣原体中。在这里,我们将详细讨论如何游泳和同步依赖于模型游泳者的几何形状,并计算最佳同步的游泳者设计。我们的分析强调了对称性破缺对游泳和同步的作用。
2013-02-21 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Cell body rocking is a dominant mechanism for flagellar synchronization in a swimming alga
单细胞绿藻Chlamydium游动有两个鞭毛,可以同步它们的节拍。要游得又快又直,就必须要同步打拍子。一个长期存在的假说认为鞭毛的同步化是由流体动力学耦合引起的,但其细节尚不清楚。在这里,我们提出了现实的流体动力学计算和高速跟踪实验的游泳细胞,显示如何从同步状态的扰动导致旋转运动的细胞体。这种旋转通过流体动力学摩擦力反馈到鞭毛动力学上,并迅速恢复我们理论中的同步状态。我们计算,这种“细胞体摇摆”提供了主导的贡献,同步游泳细胞,而直接的鞭毛之间的流体动力学相互作用的贡献可以忽略不计。我们实验证实了我们的理论预测的鞭毛跳动和细胞体摇摆之间的耦合。这项工作也出现在美国国家科学院院刊上:Geyer等人,PNAS 110(45),第18058(6)页,2013年。
2013-11-23 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Energetics of synchronisation for model flagella and cilia
在鞭毛细胞的游动中经常观察到同步现象,无论是同一生物体上的多个附属物还是附近细胞的鞭毛之间。跳动的纤毛也被认为是同步的动力学。在1951年,泰勒指出,所观察到的共同游泳的精子鞭毛的同相跳动与周围流体中耗散的能量最小化是一致的。在这里,我们重新审视泰勒的假设鞭毛和纤毛的三个模型:(1)泰勒的波动片与纵向和横向模式,相关的柔性鞭毛;(2)球体轨道以上的无滑动表面模型相互作用的柔性纤毛;和(3)旋转杆以上的无滑动表面,以解决节点纤毛的相互作用。通过显式地计算流场,我们表明,模型鞭毛或纤毛的工作速率在我们的三个模型中最小化:(1)相位差取决于薄片的分离和精确的波动运动学;(2)同相或反相运动取决于球体的相对位置和方向;(3)杆的同相旋转。这些结果将是有用的,在未来的模型探测这些设置中的同步动态。
2021-01-14 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Lag, lock, sync, slip: the many "phases" of coupled flagella
在许多生命过程中,纤毛和鞭毛都是不可或缺的。近年来,双鞭毛绿藻披衣藻已成为研究纤毛协调和同步化的模式生物。在这里,我们使用高速成像的单移液管举行的细胞,以量化丰富的动态表现出他们的鞭毛。在这种行为的变异性的基础上,是两个鞭毛之间的生物学差异-称为顺式和反式,相对于一个独特的眼点。重点野生型,我们使用数字跟踪与子拍周期分辨率获得极限环和阶段的自我维持鞭毛振荡。表征的相位同步的耦合对,我们发现,在规范的游泳蛙泳的顺鞭毛是一致的相位滞后相对,同时保持稳健的相位锁定,反鞭毛。同步的瞬时丧失或相位滑移可以被随机触发,其中跨鞭毛过渡到具有衰减的搏动包络和增加的频率的第二搏动模式。此外,利用这种鞭毛再生的能力,我们机械地诱导去除同一细胞的一个或另一个鞭毛,以揭示孤立的顺式与反式鞭毛的跳动之间的显著差异。这进一步提出了关于衣原体同步机制的问题。
2013-12-12 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Response of Worm-like Chains to Traveling-Wave Active Forces
本文提出半柔性鞭毛在行波主动力下的简化理论,通过将鞭毛建模为蠕虫状链,系统分析了外部扰动与固有弯曲刚度的竞争如何塑造类似真核生物轴丝的拍打动力学,并确定了影响鞭毛运动的关键参数。
2024-10-01 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Synchronization of rotating helices by hydrodynamic interactions
有些类型的细菌使用旋转的螺旋鞭毛游泳。这种生物体的运动发生在低雷诺数的制度中,其中粘性效应占主导地位,并且动力学受流体动力学相互作用的支配。通常,旋转鞭毛形成束,这意味着它们的旋转是同步的。本研究的目的是调查流体动力学相互作用是否可以在这样的捆绑和同步的起源。我们考虑两个刚性的螺旋线,刚性连接的珠子,忽略任何弹性形变。它们由恒定相等的力矩驱动,通过将末端珠子固定在谐波陷阱中而固定在空间中。我们观察到,有限的陷阱强度,流体动力学相互作用确实同步的螺旋旋转。相位同步的速度随着陷阱刚度的增加而减小。在无限大陷阱刚度的极限下,速度为零,螺旋不同步。
2005-08-02 cond-mat.soft
Hydrodynamic synchronization of spontaneously beating filaments
使用几何反馈模型的鞭毛轴丝占动力蛋白电机动力学,我们研究弹性流体动力学相位同步在一对自发跳动的细丝,波形范围从精子纤毛和衣原体。我们的计算结果表明,在相位和反相位同步可以出现不对称的节拍,而对称的波形去同相,并阐明由于生化噪声相位滑移的机制。模型预测同意最近的实验,并阐明流体力学和机械化学反馈同步的关键作用。
2019-10-24 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Transitions in synchronization states of model cilia through basal-connection coupling
尽管有证据表明不同真核细胞之间的鞭毛同步的流体动力学起源,但最近的实验表明,在单个多鞭毛生物中,协调取决于直接的基体连接。然而,这些联系导致协调的机制目前尚不清楚。在这里,我们专注于模型双鞭毛{ \it衣原体reinhardtii},并提出了一个极小模型的同步,其两个鞭毛作为一个结果,流体动力学和直接的机械耦合。根据细胞内偶联刚度的微小变化,可以选择不同类型的配位谱。这些包括延长的同相和反相同步,以及由系统的自发对称性破缺引起的一系列多稳态。将同步性与细胞内刚度联系起来可能会导致使用鞭毛动力学作为细胞机械状态的探针。
2018-06-17 cond-mat.soft math.DS physics.bio-ph
Stochastic Hydrodynamic Synchronization in Rotating Energy Landscapes
流体动力学同步为独立驱动的介观振子中相干拍频态的自发出现提供了一种普遍的机制。这些现象的完整物理图像对于理解纤毛和鞭毛的生物协同运动具有一定的重要性。此外,它可以潜在地提出新的路线,利用同步技术应用的软物质。我们表明,驱动胶体粒子在旋转的能量景观的结果在一个强烈的趋势同步,有利于所有珠旋转的状态。由此产生的动态可以被描述的激活跳跃的过渡率,强烈影响流体力学导致的概率和寿命的同步状态。使用全息光镊,我们定量验证我们的预测在各种空间配置的转子。
2014-01-28 cond-mat.soft
Squirmers with swirl -- a model for $Volvox$ swimming
绿色果蝇$Volvox$的菌落是球形的,通过其表面体细胞上的鞭毛对的跳动而游动。体细胞本身刚性地安装在聚合物细胞外基质中,固定鞭毛的方向,使得它们大约在一个对称平面中跳动,对称轴在游泳方向上,但具有大约15度的方位角偏移,这导致菌落围绕身体固定轴的ependitial旋转。对在微量移液管上保持静止的菌落进行的实验表明,搏动模式采取辛异时波的形式(Brumley等人(2012))。在这里,我们扩展了自由游泳的球形蠕动体的Lighthill/Blake轴对称斯托克斯流模型(Lighthill(1952),Blake(1971 b)),以包括方位角涡旋。测得的运动学的异时性波为60个不同的殖民地被用来计算本征函数展开的系数,因此预测的平均游泳速度和旋转速率,成比例的拍振幅的平方,作为殖民地半径的函数。作为蠕动模型的测试,将结果与220个菌落的不同集合的平均游泳速度和角速度的测量值(Drescher等人(2009))进行比较,所述测量值也作为菌落半径的函数给出。预测的变化与半径是定性正确的,但该模型低估了平均游泳速度和平均角速度,除非鞭毛跳动的幅度被认为比以前认为的更大。这种差异的原因进行了讨论。
2015-12-09 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Biomimetic Synchronization in biciliated robots
通过自推进机器人构建纯机械耦合的双纤毛系统,发现同步搏动存在两种模式且系统趋向耗散最大模式,据此可调控系统状态,为理解纤毛同步提供启示。
2023-12-25 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
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
Generic Conditions for Hydrodynamic Synchronization
主动振荡的细胞器如纤毛和鞭毛的同步促进细胞的自推进和在低雷诺数环境中泵送流体。为了理解背后的关键机制引起的流体动力相互作用的同步,我们研究了一个模型的刚体转子的驱动力下,是任意函数的相位的任意形状的固定轨迹。对于广泛的一类几何形状,我们得到了一对转子同步的充分必要条件。我们还发现了一种新的同步模式与时间相关的相移。我们的研究结果揭示了流体动力学相互作用在生物系统中的作用,并有助于在微流体装置中开发有效的混合和传输策略。
2010-11-04 cond-mat.soft nlin.AO
Minimal Model for Hydrodynamic Synchronization
出于观察到的附近跳动纤毛的协调,我们使用的比例模型实验表明,流体动力学的相互作用可以导致在一个非常粘稠的流体中以恒定扭矩驱动的旋转桨之间的同步。只有当支撑叶片的轴具有一定的柔性时才能观察到同步。同步状态下的相位差取决于桨的对称性。我们使用正则化stokeslets的方法来模拟桨,并发现与实验观察非常吻合。我们还使用了一个简单的分析理论的基础上远场近似推导出的同步时间作为桨分离的函数的标度律。
2009-12-05 cond-mat.soft physics.bio-ph
Physics of Microswimmers - Single Particle Motion and Collective Behavior
微生物在流体中的运动和运输是生命的一个重要方面。寻找食物,对光的定位,后代的传播,以及殖民地的形成,只有通过运动才有可能。在微尺度下的游动发生在低雷诺数下,其中流体摩擦和粘度超过惯性。在这里,进化实现了克服甚至利用阻力的推进机制。突出的推进机制是许多细菌利用的旋转螺旋鞭毛,以及精子和藻类利用的真核鞭毛的蛇状或鞭子状运动。对于人工微泳者,可以采用将化学能或热转换成定向运动的替代概念,这可能更有效。微型游泳者的动力学包括许多方面,这些方面都是实现运动所必需的。在这篇文章中,我们回顾了生物和人工合成的微型游泳者的运动物理,以及它们的集合体的集体行为。从个体微型游泳者出发,我们描述了生物和合成系统的各种推进机制,并解决游泳的流体动力学方面。这包括鞭毛和纤毛的同步和协调跳动。此外,游泳行为旁边的表面进行了检查。最后,讨论了有无水动力相互作用时各向同性和各向异性游泳者的集体和合作现象。
2014-12-08 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Phase Dependent Forcing and Synchronization in the three-sphere model of Chlamydomonas
绿色的衣原体{ \it衣原体}游动时两个鞭毛同步跳动,实验观察到它表现出类似于细菌的奔跑和翻滚行为。最近,我们研究了一个简单的流体动力学三球模型的{ \it衣原体}与相位相关的驱动力,可以产生运行和翻滚的行为时,增加了固有的噪声,由于非线性力学的系统。在这里,我们考虑无噪声的情况下,数值探索的参数空间中的驱动力的配置文件,这决定了是否从一个给定的初始条件的同步状态的演变,以及同步状态的稳定性。我们发现,相位相关的强迫,或拍模式,是必要的稳定同步的几何形状,我们的工作。
2013-04-10 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Dynamical Theory of Elastic Synchronization of Cardiomyocytes
Tohoku University(东北大学)
本文研究了通过基质弹性相互作用介导的两个心肌细胞同步现象,提出了一种基于Rayleigh型方程的振荡力偶模型,并通过相减理论和直接数值模拟得出动态相位描述,揭示了同步状态的几何依赖性和方向依赖性,同时展示了同步时间与细胞间距离和方向的关系,为心肌细胞弹性同步提供了动态框架。
2026-05-14 cond-mat.soft nlin.AO
Passive hydrodynamic synchronization of two-dimensional swimming cells
众所周知,精子鞭毛在近距离游动时是同步的。我们使用一个模型,由二维片传播横波的位移证明,流体的力量导致这种同步被动。利用两种不同的渐近描述(小振幅和长波长),我们解析地导出了牛顿流体中任意形状波形的同步动力学,并证明了相位锁定总是发生在充分不对称的形状上。我们表征的波形的几何形状和游泳者之间的分离的同步动力学,最终的稳定构象,和能量耗散的细胞的效果。对于两个紧密游动的细胞,同步化总是发生在同相或反相构象,仅取决于细胞的几何形状。相反,游泳者所做的功总是在同相构象下最小化。随着游泳者进一步分开,在相对相位的中间值处出现额外的固定点。此外,使用边界积分法计算大振幅波表明,两个渐近极限捕捉所有相关的物理问题。我们的研究结果提供了一个理论框架,以解决其他相关的自推进生物种群的水动力相互作用现象。
2010-09-10 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Collective synchronization of undulatory movement through contact
许多生物系统通过物理相互作用使它们的运动同步。到目前为止,研究得最好的例子是通过流体的物理相互作用:跳动的纤毛,游动的精子和蠕虫,以及拍打的翅膀,都通过流体机械相互作用显示同步行为。然而,随着集体密度的增加,个体也可以通过身体接触彼此互动。在“活性物质“系统领域,众所周知,个体之间的非弹性接触可以产生位置、方向和速度的长程相关性。在这项工作中,我们证明了起伏的机器人之间的接触相互作用产生新的相位动态,如同步运动。我们考虑波动系统中,节奏运动出现的时间无关的振荡器的感觉和响应波动弯曲的角度和速度。在配对实验中,我们证明了机器人关节将同步到同相和反相振荡,通过碰撞和相位振荡器模型描述了这些模式的稳定性。为了了解接触相互作用如何影响较大群体的相动力学,我们进行模拟和实验的简单的三连杆波动机器人,只通过接触。正如理论所预测的那样,集体通过接触来同步他们的运动,当机器人可以调整他们的位置以响应接触时,我们不再观察到反相同步。最后,我们证明,同步显着减少了相互作用的力量在有限的波动机器人组表示显着的能量和安全效益组同步。本研究的理论和实验说明了波动活性物质中的接触相互作用如何导致新颖的集体运动和同步。
2021-05-10 cond-mat.soft nlin.AO
Thermodynamic precision of a chain of motors: the difference between phase and noise correlation
该研究用含噪声驱动的Kuramoto链建模耦合分子马达,揭示独立噪声可使精度饱和TUR界,而空间关联噪声会降低最大精度。
2024-01-18 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech