化学活性驱动的运动粒子普适轨迹

运动对活细胞至关重要。它使细菌和藻类能够探索空间以获取食物，使癌症得以扩散，并使免疫系统能够对抗感染。运动细胞展现出极其复杂的轨迹，从规则运动（如圆周、螺旋等）到不规则运动（run-tumble），其起源在一个多世纪以来一直难以捉摸。这种动力学多样性通常归因于运动实体的形状不对称性、悬浮介质和/或随机调控。我们在此提出一种普适方法，强调这些运动是一般性的，发生在一大类细胞和人工微游动器中，无需诉诸形状不对称性或随机性，而是编码于其固有的非线性演化中。我们特别表明，对于一个在简单流体中运动的圆形和球形粒子，圆周、螺旋和混沌运动（类似于持续随机游走）在参数空间的不同区域自然涌现。这确立了运动系统复杂轨迹显现的工作原理，并以最小要素提供了一种新视角。基于对称性得到的约化演化方程与为一个自扩散泳粒子（包含扩散、粒子表面发射/吸收以及流体动力学）模型所推导的方程一致，并给出定性和定量吻合。