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微尺度“風吹麥浪”來了

文章來源: 發布時間: 2021-08-12 【字體:      

  站在鄉野村邊,一陣微風拂過,金黃色的麥子有節律的擺動起來,此起彼伏。“風吹麥浪”的美麗不僅僅存在宏觀世界,在微觀世界中也隨處可見。生物系統中,微米尺度的纖毛廣泛存在于微生物的體表和哺乳動物氣管內,在一定條件下也可以呈現類似“風吹麥浪”的集體波式擺動。  

  單條生物纖毛可以通過消耗ATP作循環式的近圓周形運動;雖然每條纖毛的自身驅動是相對獨立的,但是處在流體環境中的纖毛可以通過纖毛間相互作用呈現有規律的集體動力學行爲,從而實現不同的生物學功能,例如草履蟲利用纖毛集體擺動實現在流體中的遊動和氣管內纖毛利用集體波式擺動實現液體的高效定向運輸。纖毛要實現特定(例如波矢,頻率等)的集體波式擺動要滿足什麽物理條件,我們能否設計具有特定集體動力學特性的人工纖毛? 

  圖一:單條纖毛運動軌道及纖毛陣列   
 

  中国科学院理论物理研究所副研究员孟凡龙,与英国布里斯托大学博士Rachel Bennett,日本东北大学副教授Nariya Uchida和德国马普动力学和自组织研究所教授Ramin Golestanian合作,通过构建解析模型,得到了纤毛在流体力学相互作用下实现集体波式摆动的物理条件及系统色散关系。研究表明,通过调控单条纤毛的运动行为(运动轨道和自驱动特性)以及改变纤毛阵列的几何结构,可以使纤毛实现不同波矢和频率的集体波式摆动。此工作不仅能够帮助理解生物系统中微尺度纤毛的集体行为,也能够对设计实现特定集体行为的人工合成纤毛系统提供理论指导。 

  圖二:纖毛的集體運動  

 

    該研究成果近日發表在PNAS,論文的具體內容參考:https://www.pnas.org/content/118/32/e2102828118 

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