利用驱动胶体实现运动纤毛同步的物理学

生物系统中的纤毛和鞭毛常表现出大尺度协同行为，例如其搏动在“节拍波（metachronal waves）”中的同步。这些是生物学中涌现动力学的绝佳例子，且对生命至关重要，使得从真核微生物的运动到哺乳动物气道中病原体的营养运输和清除等多种过程成为可能。这些集体状态如何产生尚不完全清楚，但显然单个纤毛发生力学相互作用，且耦合中一个强烈且长程的分量由黏性流体介导。我们在此综述了我们及他人旨在理解流体动力学耦合系统行为的工作，特别是通过研究主动驱动胶体系统在实验和理论上获得的一系列结果。在这些受控情景中，可有选择地测试活体运动纤毛的各个方面，例如几何排列、驱动轮廓的影响以及与无滑移边界的距离。我们概述并举例说明如何将模型系统与活体系统的观测联系起来，后者可在微生物、细胞培养物或组织切片上进行。该研究领域在长期具有明确的临床应用，因为人类中严重的病理学与受损的纤毛功能相关。