浓度梯度中的养分输运

静止的纤毛细胞附着在基质上，产生 feeding 流以捕获通过的颗粒和溶解养分。对于在均匀养分场中最大化细胞表面养分通量同时最小化水动力能耗的优化纤毛活动，已有充分的特征化。然而，对于养分非均匀或 patchy 的情况，纤毛运动应如何变化尚不明了。为此，我们使用球形包络模型对静止纤毛细胞和 feeding 流进行建模，并使用不可稳 advection-diffusion 方程描述养分标量场。在无流动的情况下，我们对线性养梯度中的扩散养分摄取进行解析计算，发现在均匀场中没有优势。对于由纤毛活动驱动的 feeding 流，我们使用谱方法求解不可稳养分浓度。我们发现，当纤毛运动的轴对称轴与养梯度对齐时，细胞表面的养分摄取随时间稳定增加，最高的摄取由 treadmill 纤毛运动实现，该运动在均匀场中也最为 optimal。与此相关的养分摄取随时间和 Péclet 数之积的平方根而扩展。在 patchy 环境中，最优纤毛活动取决于 patchiness 的性质。我们的发现突显了静止纤毛细胞在营养可用性波动环境中存活的策略。