Experimental investigations of metachronal synchronization in 2D cilia arrays

二维纤毛阵列异时同步的实验研究

基本信息

项目摘要

Recent experimental evidence is consistent with the hypothesis of orbit flexibility and hydrodynamic coupling as a possible origin of flagellar synchronization. At the same time, synchronization of an isolated cilium pair is not sufficient to guarantee metachronism of an ensemble, highlighting the need to understand better the link between local and global coordination. The observation of metachronal waves (MWs) in the green alga Volvox carteri shows that large scale flagellar coordination is possible even in weakly coupled systems. However, details of the cause-and-effect relationship between defects and consistency of coupling are not well studied under defined conditions. Progress hinges on the identification of suitable experimental systems to study MWs and test the intuition developed from theory under more defined boundary conditions, a goal which remains unfulfilled. Herein, such an experimental system is introduced with an artificial ciliated surface that allows self-organized synchronization in MWs with internal feedback of cilia beat and local flow conditions according the geometric clutch hypothesis of Lindemann, published in 2004. Therefore, the flexible cilia serve simultaneously as flow sensors and actuators. The aim of the project is to study the influence of external flow and surface defects on coordination in chains of such cilia. In addition, the model is used to investigate the resultant transport within such ciliated surfaces using 3D Micro-PIV to address the unknown of nutrient transport influenced by such coordination in nature.
最近的实验证据与轨道柔性和流体动力学耦合可能是鞭毛同步起源的假说相一致。同时,孤立纤毛对的同步不足以保证整体的同时性,这突出表明需要更好地了解地方和全球协调之间的联系。对绿藻Volvox carteri的超时波(MWs)的观察表明,即使在弱耦合系统中,也可能存在大规模的鞭毛配位。然而,在确定的条件下,缺陷和耦合一致性之间的因果关系的细节还没有得到很好的研究。进展取决于确定合适的实验系统来研究大规模杀伤性武器,并在更明确的边界条件下测试从理论发展出来的直觉,这是一个仍然没有实现的目标。在这里,根据林德曼于2004年发表的几何离合器假说,引入了这样一个带有人工纤毛表面的实验系统,该表面允许MW与纤毛节拍和局部流动条件的内部反馈进行自组织同步。因此,柔性纤毛同时充当流量传感器和执行器。该项目的目的是研究外部流动和表面缺陷对这种纤毛链中配位的影响。此外,该模型被用于利用3D Micro-PIV研究这种纤毛表面内的结果运输,以解决自然界中这种配位影响的养分运输的未知问题。

项目成果

期刊论文数量(2)
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Fluid transport via pneumatically actuated waves on a ciliated wall
  • DOI:
    10.1088/0960-1317/25/12/125009
  • 发表时间:
    2015-10
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.3
  • 作者:
    A. Rockenbach;V. Mikulich;C. Brücker;U. Schnakenberg
  • 通讯作者:
    A. Rockenbach;V. Mikulich;C. Brücker;U. Schnakenberg
The influence of flap inclination angle on fluid transport at ciliated walls
皮瓣倾斜角对纤毛壁流体输送的影响
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