導(dǎo)語

一根“纖毛”蘊(yùn)藏著什么生命奧秘？讓我們從流體力學(xué)視角重新認(rèn)識(shí)細(xì)胞之間如何協(xié)作。

想象一下，在黏稠的微觀世界里，細(xì)胞表面伸出一根根微小的毛發(fā)狀突起：它們既可以像“天線”一樣增強(qiáng)細(xì)胞感知信號(hào)的能力，又能像“發(fā)動(dòng)機(jī)”般推動(dòng)單細(xì)胞生物暢游世界，甚至可以通過協(xié)同擺動(dòng)成為我們呼吸系統(tǒng)的“清道夫”——這就是運(yùn)動(dòng)纖毛。

纖毛在真核生物中幾乎無處不在。那么，是什么物理法則決定了每一根纖毛精準(zhǔn)的擺動(dòng)姿態(tài)？當(dāng)成千上萬根纖毛集結(jié)在一起時(shí)，又是什么原理促使它們可以像“合唱團(tuán)”一樣默契地協(xié)同律動(dòng)？

本期細(xì)胞動(dòng)力學(xué)讀書會(huì)上，南開大學(xué)凌峰教授將從物理學(xué)視角出發(fā)，運(yùn)用流體力學(xué)與數(shù)理建模方法，解析纖毛如何實(shí)現(xiàn)多樣化的擺動(dòng)形態(tài)與穩(wěn)定的群體協(xié)同。在此基礎(chǔ)上，他將進(jìn)一步闡述纖毛器官形態(tài)與功能之間的內(nèi)生規(guī)律，并探討這些力學(xué)原理可以為理解多細(xì)胞演化的起源與推動(dòng)生物工程的發(fā)展提供哪些啟發(fā)。

集智俱樂部聯(lián)合北京師范大學(xué)大學(xué)教授李輝，中科院理論物理學(xué)所副研究員王維康、西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后韋曉慧以及燭龍（上海）生物醫(yī)藥科技有限公司王艷博士共同發(fā)起「」，嘗試從單細(xì)胞數(shù)據(jù)中重構(gòu)細(xì)胞的動(dòng)力學(xué)，以揭示細(xì)胞狀態(tài)轉(zhuǎn)化的普遍特性和機(jī)制；通過分享經(jīng)典文獻(xiàn)與最新研究進(jìn)展，希望在數(shù)據(jù)、模型和生物過程間，建立起一種可以反復(fù)檢驗(yàn)、不斷驗(yàn)證的動(dòng)態(tài)關(guān)系。

報(bào)告簡介

運(yùn)動(dòng)纖毛是真核細(xì)胞感知外界環(huán)境、實(shí)現(xiàn)定向遷移與物質(zhì)運(yùn)輸?shù)暮诵慕Y(jié)構(gòu)之一，廣泛存在于單細(xì)胞生物與動(dòng)物上皮組織中，對(duì)協(xié)助細(xì)胞集群協(xié)作及維持器官屏障功能有不可替代的生理學(xué)意義。盡管其分子結(jié)構(gòu)在演化上高度保守，運(yùn)動(dòng)纖毛在多個(gè)空間尺度均呈現(xiàn)出豐富的動(dòng)力學(xué)多樣性：上千組動(dòng)力蛋白協(xié)作產(chǎn)生的纖毛擺動(dòng)可產(chǎn)生截然不同的三維運(yùn)動(dòng)軌跡；同細(xì)胞內(nèi)多根纖毛的相位關(guān)系可自組織成多種不同方式傳播的協(xié)同異時(shí)波（metachronal waves）；而纖毛在組織與器官內(nèi)的空間分布與異質(zhì)性則可生成包括定向傳輸、加速混合或選擇性過濾等多樣的泵送功能。

這些動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象同時(shí)在多個(gè)時(shí)間尺度上相互調(diào)控：瞬時(shí)的波形變化以及細(xì)胞內(nèi)、細(xì)胞間的互作影響著相位波的形成、缺陷產(chǎn)生與穩(wěn)定性；被輸送的復(fù)雜流體負(fù)載在發(fā)育尺度上引導(dǎo)著纖毛整體擺動(dòng)朝向與細(xì)胞極性；器官層級(jí)的功能需求則在物種演化尺度上約束著纖毛生長的形態(tài)、位置與空間分布。因此，運(yùn)動(dòng)纖毛研究為理解非平衡態(tài)物理如何在分子、細(xì)胞與器官之間建立跨層級(jí)的自組織與耦合反饋提供了一個(gè)結(jié)構(gòu)清晰且可定量分析的范本。

本報(bào)告將以纖毛與纖毛器官的力學(xué)分析為主線，結(jié)合數(shù)理模型解析纖毛系統(tǒng)協(xié)同涌現(xiàn)與組織形態(tài)生產(chǎn)的基本規(guī)律，并討論這些認(rèn)識(shí)對(duì)前沿生物工程體系以及單細(xì)胞向多細(xì)胞轉(zhuǎn)變的機(jī)制研究能提供的思路與方法。

分享大綱

1. 運(yùn)動(dòng)纖毛在真核生物中的多樣化表達(dá)

2. 纖毛擺動(dòng)的相位振子簡化模型

3. 纖毛陣列自發(fā)協(xié)同的物理分析

4. 纖毛器官形態(tài)與功能之間的流體力學(xué)標(biāo)度關(guān)系

核心概念

真核纖毛，運(yùn)動(dòng)纖毛，相位振子，群體協(xié)同，異時(shí)波，流體泵送，標(biāo)度律

主講人介紹

主講人：凌峰，南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院教授。入選國家級(jí)青年人才計(jì)劃，南開大學(xué)“百名青年學(xué)科帶頭人”培養(yǎng)計(jì)劃。主要從事生命物質(zhì)物理學(xué)和生物流體力學(xué)研究。2022年獲美國南加州大學(xué)Viterbi工學(xué)院機(jī)械工程系流體力學(xué)博士學(xué)位（導(dǎo)師：Dr. Eva Kanso 教授，生物仿生動(dòng)力學(xué)研究組），并獲得南加州大學(xué)Jenny Wang優(yōu)秀教學(xué)獎(jiǎng)。之后在德國Helmholtz Munich研究所Helmholtz Pioneer Campus、生物工程中心與生物醫(yī)學(xué)成像中心（Dr. Janna Nawroth 力學(xué)生物學(xué)研究組）任博士后研究員。2026年入職南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院。長期聚焦于真核細(xì)胞運(yùn)動(dòng)纖毛、魚群等活性物質(zhì)與生命系統(tǒng)自組織與群體遷移現(xiàn)象的研究，在Nature Physics、Nature Communications、PNAS等期刊發(fā)表研究論文10余篇。

參考文獻(xiàn)

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2. Kanale, A.V. et al., Spontaneous phase coordination and fluid pumping in model ciliary carpets. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 119 (45), e2214413119, (2022). https://doi.org/10.1073/pnas.2214413119

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8. Brunet, T. et al., Light-regulated collective contractility in a multicellular choanoflagellate. Science366, 326-334 (2019). https://doi.org/10.1126/science.aay2346

時(shí)間信息

2026年3月20日（周五）晚19:30-21:30，騰訊會(huì)議線上進(jìn)行，微信視頻號(hào)+集智俱樂部B站號(hào)同步直播，感興趣的朋友掃碼報(bào)名加入細(xì)胞動(dòng)力學(xué)讀書會(huì)后，可進(jìn)入學(xué)員群進(jìn)行交流。

直播信息

報(bào)名讀書會(huì)：

「細(xì)胞動(dòng)力學(xué):基因網(wǎng)絡(luò)、群細(xì)胞、組織形態(tài)與發(fā)育」

由李輝、王維康、韋曉慧三位學(xué)者及王艷博士共同發(fā)起，并沿兩條主線展開：一是探討細(xì)胞命運(yùn)、多穩(wěn)態(tài)等理論核心；二是結(jié)合單細(xì)胞測序、時(shí)序推斷等方法，學(xué)習(xí)如何將靜態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)模型。

中將融合物理學(xué)、復(fù)雜科學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)，從Waddington景觀、自組織臨界，到反應(yīng)-擴(kuò)散模型與類器官實(shí)驗(yàn)，繪制一幅理解細(xì)胞命運(yùn)與群體動(dòng)力學(xué)的連貫地圖。

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