密度与形状决定活性物质在滴液表面的动力学自组织

形态发生源于几何、力学与化学之间的动态反馈；然而，在 living systems 中分离这些贡献仍具有挑战性。本研究聚焦于几何与力学之间的相互作用，通过构建一个最小体外模型，其中以提取的微管和肌动蛋白簇集群在球形水-in-油滴表面自组织成二维活性液性皮层。球形几何强制总拓扑电荷为+2，此处由四个+1/2缺陷实现，其轨迹揭示了稳健、自持的振荡。通过全面重建，我们显示缺陷的集体动力学导致其在平面与四面体布局之间进行周期性切换，经历交替卷曲和半球跨越阶段。通过调节微管密度，该系统跨越从经典受缺陷主导的活性液体到类似受曲面约束的伸长性细胞束的连续体，其中低密度与增加的轨迹变异性和方向反转相关。通过受控压缩引入的几何扰动可重新分布曲率，诱导额外缺陷的核化，从而重新组织整个拓扑景观，同时保持总电荷。总之，这些结果表明，仅凭活性、密度和曲率的相互作用即可产生周期性形态发生式循环、缺陷拓扑和物质组织。该重构系统为阐明活性生物物质形态形成中力学与几何之间的耦合提供了一个灵活的平台。