[论文解读] Collective self-caging of active filaments in virtual confinement

Maximilian Kurjahn, Leila Abbaspour+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2024

Advanced Materials and Mechanics被引用 6

一句话总结

丝状蓝藻对光的响应会发生反应，形成在受照区域边缘的环状聚集；这一涌现的模式通过一个最小活性丝状模型来捕捉。

ABSTRACT

Motility coupled to responsive behavior is essential for many microorganisms to seek and establish appropriate habitats. One of the simplest possible responses, reversing the direction of motion, is believed to enable filamentous cyanobacteria to form stable aggregates or accumulate in suitable light conditions. Here, we demonstrate that filamentous morphology in combination with responding to light gradients by reversals has consequences far beyond simple accumulation: Entangled aggregates form at the boundaries of illuminated regions, harnessing the boundary to establish local order. We explore how the light pattern, in particular its boundary curvature, impacts aggregation. A minimal mechanistic model of active flexible filaments resembles the experimental findings, thereby revealing the emergent and generic character of these structures. This phenomenon may enable elongated microorganisms to generate adaptive colony architectures in limited habitats, or guide the assembly of biomimetic fibrous materials.

研究动机与目标

• 理解由光模式在虚拟边界处创建的丝状、光响应性线状体如何聚集。
• 确定边界曲率和模式形状如何影响群体组织。
• 证明环形形成是来自简单规则的涌现效应，无需显式的边界对齐。

提出的方法

• 在培养皿中进行模式化照明，以创建圆形和非圆形的光边界。
• 通过比尔-朗伯分析和图像处理观测丝状体密度和呈现态序（nematic order）。
• 一个包含珠-弹簧丝状体、排斥相互作用和在光边界处翻转的最小二维活性丝状模型。
• 在没有边界扭矩的情况下对翻转进行仿真，以测试涌现的边界对齐。
• 将实验结果与仿真进行比较，以确立环形形成的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 对丝状光响应生物，在受照区域边缘是否形成环状聚集？
• RQ2 边界曲率和形状如何影响环的位置、宽度和向列有序？
• RQ3 最小活性丝状模型是否能在无显式边界扭矩的情况下再现涌现的边界环？
• RQ4 丝状体重叠和相互作用范围在环形形成中起到什么作用？
• RQ5 边界上向列序的缠绕如何随几何形状变化而变化？

主要发现

• 在圆形光斑边界形成致密、网状的丝状体环，具有强烈的切向对齐。
• 环的位置 r_R 与光斑半径 R 成比例，与内切几何一致： r_R = sqrt(R^2 - (s/2)^2) 其中 s ≈ 1.13 ± 0.08 mm（实验）和 s ≈ 21.5 ± 0.8 σ（仿真）。
• 平均丝状长度约为 ~1.11 mm（实验），与附近计算得到的 s 值匹配，表明割线状行为支配环形形成。
• 环形形成对曲率和模式形状的变化具有鲁棒性；对于非常小的斑块，环形形成可能消失，密度变得均匀。
• 一个最小活性丝状模型在不需要边界对齐扭矩的情况下再现环形形成，需翻转、丝状排斥以及穿越能力。
• 多边形边界结果显示缠绕数 w = 1 - n_a/2，通过锐角数可以调节集体旋转。