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
Flagellar dynamics of a connected chain of active, Brownian particles
真核生物鞭毛是一种由微管、运动蛋白和弹性连接组成的复杂结构。它们能够在马达的驱动下沿着一端受到约束的细丝滑动，从而产生鞭状运动。在这里，我们表明，活跃的，自我推进的颗粒连接在一起，形成一个单一的链，锚定在一端可以产生优雅的殴打运动的鞭毛。我们使用数值模拟，尺度分析和平均场连续弹性理论的组合来标定这种类型的振荡运动的相图作为灯丝长度，被动弹性，推进力和纵向持久性的推进方向的函数。根据锚定的性质，我们表明，长丝要么经历鞭毛样殴打或假定一个稳定的旋转卷曲构象。我们的系统比它的生物灵感更简单，因此可以使用各种自推进粒子进行实验。
2012-11-21 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
Flagellar length control in monoflagellates by motorized transport: growth kinetics and correlations of length fluctuations
一个细胞如何自我组织，使其附属物达到特定的长度，以方便各自的功能？细胞用什么样的“尺子”来测量这些附属物的长度？细胞如何在细胞体和这些附属物的远端之间运输建筑材料，以便在其生命的各个阶段调节它们的动态长度？其中一些问题在这里解决的背景下，一个特定的细胞附属物称为鞭毛（也称为纤毛）。一个“飞行时间”（ToF）机制，改编自伽利略的先驱思想，最近已成功地用于解释鞭毛的长度控制的双鞭毛绿藻。使用相同的ToF机制，在这里，我们开发了一个随机模型的鞭毛在两种不同类型的单鞭毛单细胞生物的动态。这些单鞭毛虫的一个独特的特点是，这些成为短暂的多鞭毛虫在其生命的时间很短。在我们的模型中的鞭毛的平均长度再现了在实验中观察到的时间变化的趋势。此外，为了探测一个给定的细胞的动态鞭毛之间的细胞内分子通信，我们已经计算了它们的长度在多鞭毛的细胞周期的阶段期间的波动的相关性，通过蒙特卡罗模拟。
2020-12-16 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Dynamic stiffening of the flagellar hook
许多细菌通过一个或多个旋转的刚性螺旋鞭毛运动，使它们成为唯一已知的使用旋转作为推进手段的生物体。这种旋转是由细菌鞭毛马达提供的，这是一种特别强大的旋转分子机器。在每个鞭毛的基部是钩，这是一种软螺旋聚合物，其充当万向接头，将刚性跨膜转子的旋转耦合到刚性细胞外鞭毛的旋转。在多鞭毛细菌物种中，其中推力由流体动力学协调的鞭毛束提供，钩的柔性是特别关键的，因为束内的许多鞭毛从它们的马达显著地离轴旋转。但是，因此，由单个旋转鞭毛产生的推力对钩施加了显著的弯曲力矩。因此，钩需要同时提供离轴束形成所需的柔度和承受游泳的大流体动力所需的刚度。为了阐明钩子如何实现这一双重功能，需要测量动态条件下单个钩子的机械行为。在这里，通过新的高分辨率测量和一种新的分析钩波动在体内电机旋转珠测定，我们解决了单钩的弹性响应下增加扭转应力，揭示了一个明确的动态增加，其弯曲刚度。因此，钩的持续长度随着所施加的扭矩增加超过一个数量级。这种应变硬化允许系统在需要时是柔性的，但在高负荷下减少变形，从而允许高速的细胞运动。
2021-06-29 physics.bio-ph
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
Multiparticle Collision Dynamics Simulations of the Flagellar Apparatus in Chlamydomonas reinhardtii
该研究使用多粒子碰撞动力学模拟Chlamydomonas reinhardtii鞭毛器的游动行为，发现非零平均曲率FA维持弹道运动，而零平均曲率FA0无法实现净推进，且活跃拍动不影响旋转扩散，为人工微游泳者设计提供蓝图。
2025-06-30 cond-mat.soft physics.bio-ph
Nonlinear Dynamics of Cilia and Flagella
纤毛和鞭毛是真核细胞的毛发状延伸，它们产生振荡的节拍模式，可以推动微生物并在细胞表面附近产生流体流动。纤毛和鞭毛的进化高度保守的核心由一个圆柱形排列的九个微管对组成，称为轴丝。轴丝是一种主动弯曲的结构，其运动性是动力蛋白马达蛋白交联微管偶联并产生诱导弯曲变形的应力的作用的结果。周期性的搏动模式是机械反馈的结果，机械反馈导致沿着轴丝的自组织弯曲波。使用一个理论框架来描述平面跳动运动，我们推导出一个非线性波方程，它描述了轴丝跳动的基本傅立叶模式。我们研究的非线性的作用，并探讨如何振荡的振幅增加附近的振荡不稳定性。此外，我们提出了不同边界条件下的非线性波方程的数值解。我们发现，非线性波很好地近似的线性不稳定模式的振幅拍模式类似于实验观察到的。
2009-06-02 physics.bio-ph q-bio.CB
Flagellar length control in multiflagellated eukaryotes: a case study with Giardia
每种生物都有一个便于其功能的大小。不仅是多细胞生物，单细胞生物甚至亚细胞结构都有合适的尺寸。真核细胞的鞭毛是一种长而有活力的细胞突起。由于其简单的线性几何形状，这些细胞附属物已成为实验研究真核细胞细胞器的大小控制机制的流行系统。在过去，大部分的注意力都集中在单鞭毛虫和双鞭毛虫。通过扩展我们早期的双鞭毛虫模型，在这里，我们开发了一个理论模型的鞭毛长度控制在{ \it贾第虫}，这是一个双鞭毛虫。它有四对不同长度的鞭毛。分析我们的模型，我们预测不同大小的四对鞭毛。该分析不仅提供了对不同长度的物理起源的洞察，而且预测的长度也与实验数据一致。
2021-10-04 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
Flagellar number governs bacterial spreading and transport efficiency
周毛细菌同步并捆绑它们的鞭毛以活跃地游泳，而捆绑的破坏导致翻滚。目前尚不清楚鞭毛的数量是否代表了优化细菌导航的进化适应。在这里，我们研究的游泳动力学的差异鞭毛枯草芽孢杆菌菌株在准二维系统。我们发现，减少鞭毛N的数量减少了两个连续运行阶段之间的平均转角，并提高了运行阶段的持续时间和方向持久性。因此，具有较少的鞭毛有利于长距离运输和快速传播，而具有大量的鞭毛有利于需要定位和缓慢动力学的过程，例如生物膜形成。我们开发了一个两态随机游走模型，采用自发切换状态之间，并产生精确的解析表达式的传输特性，在显着的协议与实验。基于我们的两态模型的数值模拟结果表明，搜索和探索环境的效率是最佳的N的中间值。搜索时间最小化的N的最佳选择随着细菌游动环境的大小而减小。
2019-01-16 cond-mat.soft physics.bio-ph
From spirals to flagellar beating: How pivot-like defects control semiflexible filament dynamics in motility assays
本研究通过模拟揭示rigor突变马达蛋白形成的内部枢轴缺陷作为边界条件，控制半柔性细丝在螺旋与鞭毛摆动间的转变，为细胞骨架调控提供新机制。
2025-09-26 physics.bio-ph
Dynamics of the bacterial flagellar motor with multiple stators
细菌鞭毛马达驱动鞭毛丝的旋转，并使许多种类的细菌能够游动。扭矩是由固定在肽聚糖细胞壁上的定子单元与转子相互作用产生的。最近的实验[Yuan，J. & Berg，H. C.（2008）PNAS 105，1182-1185]表明，在零负载附近，电动机的速度与定子的数量无关。在这里，我们介绍了一个数学模型的电动机动力学，解释这种行为的基础上的一般假设，定子的步进率取决于由定子施加在转子上的转矩。我们发现，电机动力学可以用两个时间尺度来表征：转子的机械旋转的移动时间间隔和定子的化学转变所确定的等待时间间隔。我们发现，这两个时间尺度依赖于不同的负载，并且它们的交叉提供了微观解释实验观察到的扭矩-速度曲线中存在的两个制度。我们还分析了速度波动的单个电机使用我们的模型。我们表明，运动是平滑的，有更多的定子单元。然而，用于这种波动减小的机制取决于负载而不同。我们预测，速度波动是由每转的步数仅在低负载和高负载的外部噪声控制。我们的模型可以推广到研究其他分子马达系统的多个发电单元。
2009-01-07 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.SC
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
Global asymptotic stability of the active disassembly model of flagellar length control
细胞器大小控制是生物学中的一个基本问题，它展示了细胞在高度可变的环境中维持稳态的迷人能力。描述细胞动力学的理论模型有可能帮助阐明大小控制的基本原理。在这里，我们对[Fai et al，Length regulation of multiple flagella that self-assembled from a shared pool of components，eLife，8，（2019）：e42599]中提出的主动拆卸模型进行了详细研究。我们构建了一个混合动力系统，这是表现良好的整个域。我们排除了在模型中产生振荡的可能性，并证明了两个鞭毛的情况下，通过一个合适的李雅普诺夫函数的建设的全局渐近稳定性。最后，我们推广的模型的情况下，任意鞭毛数，以研究嗅觉感觉神经元，其中有多达20纤毛每个细胞。我们表明，我们的理论结果可以扩展到这种情况下，并探讨这种普遍的大小控制机制的影响。
2022-01-02 math.DS nlin.AO physics.bio-ph
Direct vs indirect hydrodynamic interactions during bundle formation of bacterial flagella
大多数能动的细菌通过旋转多个螺旋鞭毛细丝在粘性液体中游动。这些半刚性的细丝重复地连接（“束”）和分离（“解束”），导致细胞的两步法随机行走样运动。在这个过程中，已知细丝之间的流体动力学相互作用起着重要作用，并且可以分为两种不同的类型：通过细丝本身的致动产生的流动介导的直接相互作用，以及通过细胞体的运动介导的间接相互作用（即，由推进引起的游泳框架中诱导的流动）。为了了解这两种类型的相互作用的相对重要性，我们研究了鞭毛捆绑的最小奇异模型。使用流体动力学图像，我们解决了流动分析和计算直接和间接的相互作用，正是作为一个函数的鞭毛丝的长度和它们的角间距。结果表明：（i）仅鞭毛产生的推力就足以通过两种相互作用驱动系统向成束状态运动;（ii）对于长丝状体和宽分离，即成束过程的早期阶段，间接平流占主导地位;和（iii），相比之下，直接相互作用占主导地位时，鞭毛丝在彼此的唤醒，我们数学上。我们进一步介绍了一个数值弹性流体动力学模型，使我们能够计算每个鞭毛丝的螺旋轴的动力学，同时分别分析直接和间接的相互作用。有了这个，我们表明（iv），在捆绑过程中，直接和间接的相互作用之间的平衡的转变是非单调的，在直接优势的峰值，和鞭毛的不同部分受到这些变化在不同程度上。
2020-11-17 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Coupling between switching regulation and torque generation in bacterial flagellar motor
细菌鞭毛马达在细菌的运动和趋化性中起着至关重要的作用。最近的实验表明，电动机的开关动态取决于电动机的转速，从而电动机的转矩，非单调。在这里，我们提出了一个统一的数学模型，模型电机转矩产生的基础上，实验转矩-速度曲线和转矩相关的开关的基础上的构象扩散模型。该模型成功地再现了所观察到的开关速率的旋转速度的函数，并提供了一个通用的物理解释独立的大多数细节。定子通过两种机制影响切换动态：加速各个转子切换单元的构造翻转速率，这有利于较慢的电机速度，从而增加扭矩;以及在单位时间内影响更多的切换单元，这有利于更快的速度。因此，切换速率在中间速度处显示出最大值。我们的模型预测，电机开关更经常与更多的定子。负载转换关系可以用作感测物理环境的机制，类似于感测化学环境的趋化性系统。它还可以协调细胞内马达的开关动力学。
2013-07-25 physics.bio-ph q-bio.SC
Motility and Phototaxis of $Gonium$, the Simplest Differentiated Colonial Alga
$Volvocine$谱系的绿藻，从单细胞的$Chlamydomonas$到大得多的$Volvox$，是研究多细胞性、鞭毛动力学和发育过程进化的模型。这些生物体中的趋光转向在没有中枢神经系统的情况下发生，仅由单个细胞的反应驱动。所有这样的藻类在游动时都围绕着一个身体固定的轴旋转;当轴与光线不一致时，每个细胞上的定向光电传感器就会收到周期性的信号。$Chlamydomonas$和$Volvox$的鞭毛都以允许精确趋光性的方式表现出对这种信号的适应性反应，但在前者中，两种鞭毛具有不同的反应，而球形$Volvox$菌落表面上的数千个鞭毛具有基本相同的行为。因此，平面16细胞物种$Gonium~pectorale$呈现出一个难题，因为其中心4个细胞具有$Chlamydomonas$样搏动，提供垂直于平面的推进力，而其12个外围细胞通过$Volvox$样搏动产生围绕法线的旋转。在这里，我们结合实验，理论和计算来揭示$Gonium$，也许是最简单的分化殖民生物，实现趋光性。高分辨率的细胞跟踪，粒子图像测速的鞭毛驱动的流量，和高速成像的鞭毛上的微量移液器举行的殖民地显示，如何在最近推出的模型的上下文中的$Chlamydomonas$趋光性，适应性反应的外周细胞单独导致整个殖民地的光重定向。分析还强调了在一个给定的殖民地，这可能会导致增强的重定向动力学的鞭毛节拍动力学的局部变化的重要性。
2019-11-20 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Evaluation of the duty ratio of bacterial flagellar motor by a dynamic load control
细菌鞭毛马达是自然界中最复杂的纳米机器之一。占空比$D$是定子和转子相互作用的时间的分数，并且是表征电机的基本属性，但仍有待确定。已知的是，电动机的定子单元动态地绑定到电动机和与电动机分离，以根据电动机上的负载来控制电动机转矩。在诸如质子移位速度的动力学限制旋转速率的低负载下，旋转速率对定子单元数$N$的依赖性推断出$D$ ;对于较小的$D$，依赖性变得更大。报告了支持小型和大型$D$的矛盾观察结果。一个难题是，由于定子单元容易分离，因此难以在低负载下探索大范围的$N$，并且在负载消失时，$N$被限制为一个或两个。在这里，我们开发了一种电旋转的方法来动态控制负载的鞭毛电机{ \it沙门氏菌}与校准的扭矩大小。通过立即降低负载以保持$N$高，我们观察到低负载下的速度取决于$N$，这意味着小的占空比。我们恢复了各个电动机的转矩-速度曲线，并根据高负载时的转矩和低负载时的转速之间的相关性将占空比评估为$0.14 \pm 0.04$。
2019-02-26 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Flagellar Dynamics of Chains of Active Janus Particles Fueled by an AC electric field
研究了交流电场作用下自推进非对称胶体粒子（Janus粒子）的主动动力学。通过调节外加电场的频率和溶液的离子浓度，可以控制自推进的速度和方向以及颗粒之间的吸引相互作用的强度。在高离子浓度下的强吸引力引起Janus粒子的链形成，这可以用粒子上的四极电荷分布来解释。观察到的链的形成，而不管的粒子的自推进的方向。当链头的位置和方向固定时，它们表现出令人想起真核鞭毛的跳动行为。Janus粒子链的跳动频率取决于所施加的电压，因此也取决于自推进力。拍频和自推进力之间的比例关系偏离了先前对活动细丝的理论预测。然而，这个矛盾是解决假设粒子之间的吸引力相互作用是介导的四极分布的感应电荷，这给出了间接的，但令人信服的证据的机制Janus粒子。这意味着以前被忽视的推进机制和相互作用机制之间的依赖性可以改变跳动行为的色散关系。此外，链内的水动力相互作用及其对推进速度的影响进行了讨论。这些提供了新的见解活性丝，如生物功能的最佳鞭毛设计。
2017-11-07 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Multiflagellarity leads to the size-independent swimming speed of peritrichous bacteria
本研究通过实验、建模与模拟证明大肠杆菌的游泳速度与体长无关，该现象源于体长与鞭毛数量的线性关系及多鞭毛集体负载分担机制，解决了长期争议。
2023-10-25 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
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
How Molecular Motors' Interaction Shapes Flagellar Beat and Its Fluctuations
Sapienza University of Rome（罗马第一大学）；Sorbonne Université, INSERM, Institut Pierre Louis d’Epidémiologie et de Santé Publique, IPLESP（索邦大学，法国国家健康与医学研究院，皮埃尔·路易流行病学与公共卫生研究所）；Istituto dei Sistemi Complessi - Consiglio Nazionale delle Ricerche（复杂系统研究所-意大利国家研究委员会）；INFN, Sezione Roma2（意大利国家核物理研究所，罗马第二分部）
研究分子马达相互作用对鞭毛摆动及波动的影响，通过分析马达动力学耦合对特征时间、摆动周期和波动质量因子的影响，揭示其非单调行为及双稳态特性。
2026-04-30 cond-mat.soft physics.bio-ph
Dynamics of a bacterial flagellum under reverse rotation
启动E的翻滚。在大肠杆菌中，其中一个螺旋鞭毛反转其旋转方向。然后，它从其正常形式首先转变为瞬态半油态，随后转变为卷曲-I态。多态性的动态有效地模拟鞭毛弹性通过扩展基尔霍夫自由能。然而，由于多晶型物的基态能量未知，因此自由能的完整情况仍未确定。我们研究这些基态能量的变化如何影响一个游泳细菌的旋转鞭毛的动态。我们发现，鞭毛表现出一些不同的动力学状态，并全面总结他们的状态图。因此，我们得出结论，单独调整扩展基尔霍夫自由能的景观不能产生中间全长半卷曲状态。然而，我们的模型提出了一个特设的方法来实现一个真正的细菌观察到的多态性状态的序列。由于细菌鞭毛的弹性特性是相似的，我们的研究结果可以很容易地扩展到其他围毛细菌。
2016-02-20 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Bacterial swarmer cells in confinement: A mesoscale hydrodynamic simulation study
当被接种到营养丰富的表面上时，广泛的周毛细菌经历相当大的生理变化，并表现出快速和集体的迁移，表示为群集。因此，这种群体细胞的长度和它们的鞭毛数量显著增加。本文研究了单个E.通过介观流体动力学模拟，将蜂群细胞的分子动力学模拟与包埋流体的多粒子碰撞动力学方法相结合，将大肠杆菌型蜂群细胞限制在两个平行壁之间。E.大肠杆菌型群细胞比它们的共生体长三倍，但它们的鞭毛密度相当。通过改变壁的分离，我们分析了对鞭毛排列的限制效果，对细胞在壁之间的间隙中的分布，以及对细胞动力学的影响。我们发现只有一个弱的依赖约束的束结构和动力学。细胞在间隙中的分布从非常窄的几何结构主导的行为变为较宽间隙的流体主导的行为，其中细胞优先位于较窄间隙的间隙中心，并且优先靠近较宽间隙的壁之一。动态地，细胞表现出广泛的迁移行为，这取决于它们的鞭毛束排列，从直线游泳到滚壁。
2016-10-24 cond-mat.soft physics.bio-ph
Flagella-like beating of a single microtubule
驱动蛋白马达可以在具有固定负端的微管中诱导屈曲不稳定性。在这里，我们表明，通过修改表面的蛋白质排斥功能化和使用集群的驱动蛋白电机，微管可以表现出持续的振荡运动，类似于精子鞭毛的跳动。所观察到的周期是1分钟的顺序。从实验图像，我们理论上确定的电机力的分布，解释所观察到的形状，使用极大似然的方法。一个很好的协议，实现了少量的电机集群同时作用于微管。由簇施加的切向力大多在朝向微管负端的0 - 8 pN范围内，表明1或2个驱动蛋白马达的作用。横向力呈对称分布，主要集中在10 pN以下，而横向速度在零附近有一个很强的峰值。与众所周知的模型，扑动丝，驱动蛋白被发现有一个强大的“钉扎”的影响上的跳动丝。我们的研究结果提出了新的策略，利用分子马达的动态角色，敏感地依赖于在系统中建立的应力。
2019-03-23 physics.bio-ph
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
Spontaneous Emergence of Run-and-Tumble-Like Dynamics in a Robotic Analog of \textit{Chlamydomonas}: Experiment and Theory
本研究通过刚性杆连接的干燥自推进机器人模拟莱茵衣藻，发现系统自发涌现类跑-翻滚动力学，并通过理论模型揭示其物理机制，为微游动者运动提供新见解。
2025-10-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Green Algae as Model Organisms for Biological Fluid Dynamics
在过去的十年中，volvocine绿藻，从单细胞$Chlamydomonas$到多细胞$Volvox$，已经成为生物流体动力学中许多问题的模式生物。这些包括鞭毛推进，营养吸收的游泳生物，介导的墙壁，集体动力学和运输悬浮液内的microswimmer，趋光性的机制，和随机动力学的鞭毛同步的流体动力学的相互作用。绿藻非常适合研究这些问题，因为它们的大小范围（从10 $μ$ m到几毫米），它们的几何规则性，它们可以培养的容易性以及许多突变体的可用性，这些突变体允许分子细节和生物体水平行为之间的联系。本文综述了这些最新的发展，并强调了有前途的未来方向，在生物流体动力学的研究，特别是在进化生物学的背景下，可以利用这些显着的生物体。
2014-09-08 cond-mat.soft nlin.AO 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
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
Aging dynamics in interacting many-body systems
低维复杂系统通常以缓慢的动力学为特征。我们研究了在一个强无序的一维环境中，具有硬核相互作用的全同扩散粒子系综中标记粒子的一般运动。该单个文件中的每个粒子在具有幂律分布$ψ(τ)\simeqτ^{-1- α}$的随机等待时间$τ$内被捕获，使得$τ$值对于所有粒子是独立的局部量。从标度参数和模拟，我们发现，无标度的等待时间的情况下$0<α<1$，示踪粒子动力学是超慢的对数均方位移（MSD）$\langle x^2(t)\rangle\simeq(\log t)^{1/2}$。与常规单列运动$\langle x^2(t)\rangle\simeq t^{1/2}$相比，这种极端的减慢是由于标记颗粒不断遇到强烈固定的邻居的高可能性。对于$1<α<2$，我们观察到MSD缩放$\langle x^2(t)\rangle\simeq t^γ$，其中$γ<1/2$，而对于$α>2$，我们恢复Harris定律$\simeq t^{1/2}$。
2013-11-15 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
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
Bidirectional motion of filaments: Role of motor proteins and passive cross linkers
在真核细胞中，马达蛋白（MP）与细胞骨架丝结合并沿其定向运动，产生主动应激。在细胞分裂过程中，一种纺锤体结构的重叠反平行微管（MT）的形式，其稳定性和动力学的影响下的MPs已被广泛研究。尽管已知被动交联剂（PCL）为丝状网络提供结构稳定性，但MP的ATP依赖性主动力和PCL对MT重叠的被动熵力之间的相互作用的后果仍然在很大程度上未被探索。在这里，我们制定和表征的模型来研究这一点，使用线性稳定性分析和数值积分。在PCL的存在下，我们发现动态相变与变化的活动表现出制度的稳定部分重叠或没有振荡，不稳定的完全重叠，和稳定的极限环振荡，出现通过超临界Hopf分叉，其特征在于由MP和PCL参数确定的振荡频率。我们发现，重叠动力学和稳定性的关键取决于是否重叠对的两个MT是可移动的或一个是固定的，在体内和体外研究具有潜在的影响。
2017-06-04 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
