几何相位预测跨尺度波动生命系统的运动性能
生物物理
2024-01-03 v3 数据分析、统计与概率
摘要
自驱动生物体通过产生自变形模式进行运动。尽管无肢脊椎动物和无脊椎动物在身体结构、内部驱动方案和环境方面存在多样性，但这些生物体通常使用类似的轴向身体弯曲行波进行移动。描述参数（波幅、频率）如何导致运动性能（如速度、能量、转弯能力）仍然具有挑战性。在此，我们展示了一个几何框架，该框架用图解方案替代了繁琐的计算，非常适合发现和比较不同生命系统中波动力学的最优模式。我们关注波动运动的一个范畴，即高阻尼环境，这不仅适用于粘性流体中的小型生物体运动，也适用于在摩擦流体（沙子）和摩擦地面上移动的较大动物。我们发现，毫米尺度的线虫和厘米尺度的沙漠蛇类和蜥蜴所使用的行波动力学，可以通过与两个主模态相关的权重的时间序列来描述。在自变形空间中，模态权重的近似圆形闭合路径轨迹，为跨越两个数量级体长的生物体围成了接近最大的表面积分（几何相位）。我们假设此类轨迹是控制目标（我们称之为“蛇形模板”）。此外，该几何方法揭示了看似复杂的行为，如线虫的转弯和蛇的侧行，如何可以被描述为模板的调制。因此，在生命系统中使用微分几何可以促进比较神经力学的成长，允许跨类群对运动进行统一描述，并为较低组织层次的功能提供假设。
引用
@article{arxiv.1906.11374,
title = {Geometric phase predicts locomotion performance in undulating living systems across scales},
author = {Jennifer M Rieser and Baxi Chong and Chaohui Gong and Henry C Astley and Perrin E Schiebel and Kelimar Diaz and Christopher Pierce and Hang Lu and Ross L Hatton and Howie Choset and Daniel I Goldman},
journal= {arXiv preprint arXiv:1906.11374},
year = {2024}
}