一个新的数学模型预测哺乳动物细胞有两种不同的游泳模式。这一预测提出了关于细胞的运动活动与其过度激活阶段之间潜在联系的新问题，而过度激活阶段可能在受精过程中发挥重要作用。这一发现是利用数学和流体动力学来描述哺乳动物如何运动的更大努力的一部分。该研究由加州大学圣地亚哥分校的工程师团队领导。这项新工作于 2023 年 11 月 15 日 发表在《物理评论流体》杂志上。

哺乳动物细胞通过来回敲打鞭毛来推动自身前进，这要归功于化学动力马达，这些马达沿着鞭毛(线状附属物)驱动波。

研究人员的游泳细胞的新模型捕捉了其运动动力学与鞭毛形状(变形)变化以及细胞头部运动之间的相互作用。该模型还解释了细胞移动时周围复杂的流体力学。

这个新模型预测，哺乳动物细胞的游泳速度不会简单地随着其化学马达活动的增加而增加。相反，随着游泳细胞运动活动的增加，这种运动活动会超过阈值水平，此时会出现第二种不同的游泳模式。第二种模式可能与过度活跃有关。

在游泳模式一中，哺乳动物细胞的头部比在游泳模式二中来回摆动更多。在游泳模式二中，鞭毛的波浪形跳动比游泳模式一中更强。(有关游泳模式一和二的视觉并排比较，请参阅相关视频。)

“虽然我们不能肯定地说这个新模型可以预测受精前经常发生的过度活跃现象，但这确实是一种有趣的可能性。我希望进一步的研究能够澄清我们模型中看到的运动转变是否确实与过度激活有关，”加州大学圣地亚哥分校教授 David Saintillan 说，他是新论文的通讯作者，也是机械和航空航天工程系的流体力学研究员在加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院。

“工程师和数学家有很多机会为我们对生物学的理解做出贡献。例如，我们在流体动力学领域研究的越来越多的模型正在成为理解运动等生物系统动力学的重要工具。在某些情况下，模型使我们能够测试无法通过实验轻松解决的机制或假设。在这种情况下，模型可能非常有用，”Saintillan 说。

Saintillan 指出，对哺乳动物运动机制的研究是模型在实验中发挥关键作用的一个例子。“你无法通过转动旋钮来控制活细胞中电机的活动，但使用像我们这样的模型，你可以加速或减慢的电机活动，并观察运动如何变化。”