具有群体感应的自驱动棒的集体行为

活性个体——如泳动粒子、细菌、精子以及运动 assay 中的细胞骨架丝——表现出大量由运动诱导的集体行为,例如聚集、成团和相分离。泳动粒子浓悬浮液以及细菌在生物膜形成过程中的行为由两个主要物理机制决定:(i)体积排斥(短程立体排斥)和(ii)群体感应(由于局部化学环境改变导致的较长程推进力减弱)。为系统刻画此类系统,我们通过布朗动力学模拟研究了二维半穿透自驱动棒,其推进力随局部棒密度增加而减小。体积排斥和群体感应均导致相分离,但结构和棒动力学差异巨大。群体感应增强了团簇的极性,诱导团簇边界处棒的垂直取向,并促进团簇形成。对于在高密度下棒基本变为被动的系统,观察到星状体和条带的形成。具有较大长径比的棒系统比较小长径比的系统表现出更有序的结构,这是由于它们更强的排列,在强密度依赖推进力下形成近圆形星状体。随着群体感应相互作用范围增大,局部密度降低,星状体变得不稳定,出现极性刺猬团簇和具有畴的团簇。我们的结果刻画了由两种定性不同的相互作用机制——空间位阻和群体感应——竞争导致的结构形成与动力学,这两者对于工程泳动微 swimmer 以及生物膜形成中的细菌都具有重要意义。