[論文レビュー] Ecological memory of hydrodynamic cues shapes growth and migration of motile microorganisms

Narges Kakavand, Anupam Sengupta|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2026

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ひとこと要約

本研究は運動性植物プランクトンにおける生態学的記憶を示し、 prior な流体的曝露が成長段階を通じてHeterosigma akashiwo の成長・泳動特性を再構築し、曝露のタイミングと順序に依存した影響を示す。

ABSTRACT

Microorganisms live in inherently dynamic environments where fluctuations in biotic and abiotic factors shape their behaviour, physiology, and fitness. The concept of ecological memory: the lasting imprint of prior environmental cues, suggests that past exposures can exert prolonged effects on microbial growth, resilience, and phenotypic expressions. For motile microbes in aquatic ecosystems, environmental variability is mediated by fluid motion, which may engender a form of hydrodynamic memory, whereby prior exposure to specific spatio-temporal cues influence future growth and migratory behaviour. Yet, the emergence of such flow-induced memory, or its long-term consequences for trait evolution and population dynamics, remain unexplored. We integrate millifluidic flow control, high-resolution cell tracking, and tunable hydrodynamic cues to quantify growth and migration of Heterosigma akashiwo, a model microbe, across growth stages. Using two complementary perturbation scenarios: standard (flow after static conditions) and reverse (flow before static growth), we test how the temporal structure of forcing shapes multigenerational responses. This combinatorial design disentangles exposure history from its duration, and reveals how prior flow modulates sensitivity, generating legacy effects. Compared with static controls, repeated hydrodynamic exposure alters doubling time, carrying capacity, gravitactic stability, and swimming speed distributions; shifting growth phase progression and tolerance to subsequent perturbations. These results establish a mechanistic framework for flow-induced memory in motile microbes, revealing how past fluidic cues shape future growth and migration. Our study advances predictive understanding of motile microbes in natural and engineered hydrodynamic systems experiencing increasing variability under global environmental changes.

研究の動機と目的

• 動的な水環境における生態記憶と流動力学が運動性微生物の記憶を誘発する手掛かりとして果たす役割に動機づけられる。
• 2つのHeterosigma akashiwo株における流動曝露の異なるタイミングが成長ダイナミクスと運動性に与える影響を定量化する。
• 曝露の歴とその持続時間が適応度と行動に長期的・跨世代的な影響をもたらすかを検定する。

提案手法

• 軌道シェーカーを用いたミリリットル領域の流体制御により、調整可能な流動条件を課す（約110 rpm）。
• 標準（静的→摂動）と反転（摂動→静的）の2つの摂動スキームを用い、曝露履歴と現在条件を分離して比較。
• ロジスティック適合による特異成長率（倍化時間）と収容力の定量化。
• 鉛直泳速度、泳動方向の分布（風車図）、および重力適応再配向時間（tau_r）をomega(theta)への正弦適合から評価。
• 2つの株HA452とHA3107を成長 stages（初期指数、中期指数、初期定常期、中期定常期）にわたり追跡。
• 摂動と静的条件の下での成長指標と運動特性の統計比較を、複数の時間遅延で実施。

Figure 1 : Tracking ecological memory in motile microorganisms. (A)–(D): Standard scenario (static $\rightarrow$ shaker): microbial growth initially under static condition (red hue), followed by hydrodynamic perturbations (blue hue). (A) 0-hour: cells transferred to the shaker immediately post-inocu

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 摂動のタイミングがH. akashiwoの成長率と収容力に与える影響は成長段階とどう関係するか？
• RQ2 prior な流動曝露は持続的（記憶）効果を運動性と重力適応安定性に誘発し、静的条件へ戻る際にこれらの効果は持続するか？
• RQ3 流動履歴とその持続時間に株特異的な感度の差はあるか？
• RQ4 反転曝露（摂動→静的条件）は連続的摂動と比較して、その後の成長と運動性をどう変えるか？

主な発見

• 流体歴史は成長動力学を大きく変え、倍化時間と収容力を静的対照と比較して摂動のタイミング次第で変化させる。
• 初期および連続的曝露は両株とも成長を加速させる一方、中期指数の曝露は生体量収率を低下させ成長を遅らせる可能性がある。
• 後期曝露（遅い定常期）は成長指標への影響は少ないが生存ダイナミクスに影響を及ぼす可能性があり、タイミングが適応度の結果を支配する。
• HA3107は指数成長期の曝露からの影響がHA452よりも強い negative な影響を示し、株間の感受性差を示唆する。
• 反転曝露実験は lasting effects を示す：初期の解放は成長率を保持しつつ生体量の損失を modest に留める一方、後半の解放は成長率と収容力の低下を増幅する。
• 流体歴史は運動性にも再プログラムを促し、摂動を受けた細胞は静的対照と比較して垂直速度が低下し、向きの安定性が変化（再配向時間が増加）する。特に0時間遅延シナリオで顕著。

Figure 2 : Quantifying swimming and reorientation dynamics of motile microbes. Raw (A) and binarized (B) images of swimming cells; insets present magnified view. (C) Swimming trajectories; inset presents zoom-in views of a selection of trajectories. (D) Trajectories visualized in the milifluidic cha