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导语

一根“纤毛”蕴藏着什么生命奥秘？让我们从流体力学视角重新认识细胞之间如何协作。

想象一下，在黏稠的微观世界里，细胞表面伸出一根根微小的毛发状突起：它们既可以像“天线”一样增强细胞感知信号的能力，又能像“发动机”般推动单细胞生物畅游世界，甚至可以通过协同摆动成为我们呼吸系统的“清道夫”——这就是运动纤毛。

纤毛在真核生物中几乎无处不在。那么，是什么物理法则决定了每一根纤毛精准的摆动姿态？当成千上万根纤毛集结在一起时，又是什么原理促使它们可以像“合唱团”一样默契地协同律动？

本期细胞动力学读书会上，南开大学凌峰教授将从物理学视角出发，运用流体力学与数理建模方法，解析纤毛如何实现多样化的摆动形态与稳定的群体协同。在此基础上，他将进一步阐述纤毛器官形态与功能之间的内生规律，并探讨这些力学原理可以为理解多细胞演化的起源与推动生物工程的发展提供哪些启发。

集智俱乐部联合北京师范大学大学教授李辉，中科院理论物理学所副研究员王维康、西湖大学生命科学学院博士后韦晓慧以及烛龙（上海）生物医药科技有限公司王艳博士共同发起「」，尝试从单细胞数据中重构细胞的动力学，以揭示细胞状态转化的普遍特性和机制；通过分享经典文献与最新研究进展，希望在数据、模型和生物过程间，建立起一种可以反复检验、不断验证的动态关系。

报告简介

运动纤毛是真核细胞感知外界环境、实现定向迁移与物质运输的核心结构之一，广泛存在于单细胞生物与动物上皮组织中，对协助细胞集群协作及维持器官屏障功能有不可替代的生理学意义。尽管其分子结构在演化上高度保守，运动纤毛在多个空间尺度均呈现出丰富的动力学多样性：上千组动力蛋白协作产生的纤毛摆动可产生截然不同的三维运动轨迹；同细胞内多根纤毛的相位关系可自组织成多种不同方式传播的协同异时波（metachronal waves）；而纤毛在组织与器官内的空间分布与异质性则可生成包括定向传输、加速混合或选择性过滤等多样的泵送功能。

这些动力学现象同时在多个时间尺度上相互调控：瞬时的波形变化以及细胞内、细胞间的互作影响着相位波的形成、缺陷产生与稳定性；被输送的复杂流体负载在发育尺度上引导着纤毛整体摆动朝向与细胞极性；器官层级的功能需求则在物种演化尺度上约束着纤毛生长的形态、位置与空间分布。因此，运动纤毛研究为理解非平衡态物理如何在分子、细胞与器官之间建立跨层级的自组织与耦合反馈提供了一个结构清晰且可定量分析的范本。

本报告将以纤毛与纤毛器官的力学分析为主线，结合数理模型解析纤毛系统协同涌现与组织形态生产的基本规律，并讨论这些认识对前沿生物工程体系以及单细胞向多细胞转变的机制研究能提供的思路与方法。

分享大纲

  1. 运动纤毛在真核生物中的多样化表达

  2. 纤毛摆动的相位振子简化模型

  3. 纤毛阵列自发协同的物理分析

  4. 纤毛器官形态与功能之间的流体力学标度关系

核心概念

真核纤毛，运动纤毛，相位振子，群体协同，异时波，流体泵送，标度律

主讲人介绍

主讲人：凌峰，南开大学物理科学学院教授。入选国家级青年人才计划，南开大学“百名青年学科带头人”培养计划。主要从事生命物质物理学和生物流体力学研究。2022年获美国南加州大学Viterbi工学院机械工程系流体力学博士学位（导师：Dr. Eva Kanso 教授，生物仿生动力学研究组），并获得南加州大学Jenny Wang优秀教学奖。之后在德国Helmholtz Munich研究所Helmholtz Pioneer Campus、生物工程中心与生物医学成像中心（Dr. Janna Nawroth 力学生物学研究组）任博士后研究员。2026年入职南开大学物理科学学院。长期聚焦于真核细胞运动纤毛、鱼群等活性物质与生命系统自组织与群体迁移现象的研究，在Nature Physics、Nature Communications、PNAS等期刊发表研究论文10余篇。

参考文献

  1. Ling, F. et al. Flow physics guides morphology of ciliated organs. Nat. Phys.20, 1679–1686, (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02591-0

  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

  3. Poon, R. N. et al., Dynamics and emergence of metachronal waves in the ciliary band of a metazoan larva. Sci. Adv.11, eadw4067 (2025). https://doi.org/10.1126/sciadv.adw4067

  4. Roth, D. et al. Structure and function relationships of mucociliary clearance in human and rat airways. Nat Commun16, 2446 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-57667-z

  5. Bhattaram, D. et al., AggreBots: Configuring CiliaBots through guided, modular tissue aggregation. Sci. Adv.11, eadx4176 (2025). https://doi.org/10.1126/sciadv.adx4176

  6. Shekhar, S. et al. Cooperative hydrodynamics accompany multicellular-like colonial organization in the unicellular ciliate Stentor. Nat. Phys.21, 624–631 (2025). https://doi.org/10.1038/s41567-025-02787-y

  7. Brunet, T. et al., A flagellate-to-amoeboid switch in the closest living relatives of animals. eLife10, e61037 (2021). https://doi.org/10.7554/eLife.61037

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

时间信息

2026年3月20日（周五）晚19:30-21:30，腾讯会议线上进行，微信视频号+集智俱乐部B站号同步直播，感兴趣的朋友扫码报名加入细胞动力学读书会后，可进入学员群进行交流。

直播信息

报名读书会：

「细胞动力学:基因网络、群细胞、组织形态与发育」

由李辉、王维康、韦晓慧三位学者及王艳博士共同发起，并沿两条主线展开：一是探讨细胞命运、多稳态等理论核心；二是结合单细胞测序、时序推断等方法，学习如何将静态数据转化为动态模型。

中将融合物理学、复杂科学与系统生物学，从Waddington景观、自组织临界，到反应-扩散模型与类器官实验，绘制一幅理解细胞命运与群体动力学的连贯地图。

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