丝状蓝藻的拓扑相变：从运动到结构

许多活性系统能够在远大于其个体组成单元尺寸的尺度上形成引人入胜的图案。蓝藻是最古老且最重要的生物门类之一，它促使了更复杂生命形式的演化。尽管其重要性不言而喻，但运动性在其菌落图案形成中的作用尚不清楚。在这里，我们研究了滑行丝状蓝藻菌落的大规模集体效应和丰富的动力学，同时仍保留了关于个体组成单元的动力学及其相互作用的信息。我们研究了菌落的瞬态和稳态动力学，并与实验取得了良好的一致性。我们进一步表明，Peclet 数和对齐相互作用强度支配着系统从各向同性分布到大规模网状图案状态的拓扑相变。尽管系统在拓扑上非平庸，但平行和垂直的配对相关函数提供了关于菌落结构的信息，因此可用于提取关于生物膜形成早期阶段的信息。最后，我们发现丝状体长度的影响不能简化为相互作用点系统。我们的模型被证明能够重现蓝藻菌落以及由运动性驱动曲率传输的生物丝状体系统。