細胞動力學讀書會 | 第六期：從運動纖毛談生命系統的多尺度自組織涌現

導語

一根“纖毛”蘊藏著什么生命奧秘？讓我們從流體力學視角重新認識細胞之間如何協作。

想象一下，在黏稠的微觀世界里，細胞表面伸出一根根微小的毛發狀突起：它們既可以像“天線”一樣增強細胞感知信號的能力，又能像“發動機”般推動單細胞生物暢游世界，甚至可以通過協同擺動成為我們呼吸系統的“清道夫”——這就是運動纖毛。

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的擺動姿態？當成千上萬根纖毛集結在一起時，又是什么原理促使它們可以像“合唱團”一樣默契地協同律動？

本期細胞動力學讀書會上，南開大學凌峰教授將從物理學視角出發，運用流體力學與數理建模方法，解析纖毛如何實現多樣化的擺動形態與穩定的群體協同。在此基礎上，他將進一步闡述纖毛器官形態與功能之間的內生規律，并探討這些力學原理可以為理解多細胞演化的起源與推動生物工程的發展提供哪些啟發。

集智俱樂部聯合北京師范大學大學教授李輝，中科院理論物理學所副研究員王維康、西湖大學生命科學學院博士后韋曉慧以及燭龍（上海）生物醫藥科技有限公司王艷博士共同發起「」，嘗試從單細胞數據中重構細胞的動力學，以揭示細胞狀態轉化的普遍特性和機制；通過分享經典文獻與最新研究進展，希望在數據、模型和生物過程間，建立起一種可以反復檢驗、不斷驗證的動態關系。

報告簡介

運動纖毛是真核細胞感知外界環境、實現定向遷移與物質運輸的核心結構之一，廣泛存在于單細胞生物與動物上皮組織中，對協助細胞集群協作及維持器官屏障功能有不可替代的生理學意義。盡管其分子結構在演化上高度保守，運動纖毛在多個空間尺度均呈現出豐富的動力學多樣性：上千組動力蛋白協作產生的纖毛擺動可產生截然不同的三維運動軌跡；同細胞內多根纖毛的相位關系可自組織成多種不同方式傳播的協同異時波（metachronal waves）；而纖毛在組織與器官內的空間分布與異質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。

這些動力學現象同時在多個時間尺度上相互調控：瞬時的波形變化以及細胞內、細胞間的互作影響著相位波的形成、缺陷產生與穩定性；被輸送的復雜流體負載在發育尺度上引導著纖毛整體擺動朝向與細胞極性；器官層級的功能需求則在物種演化尺度上約束著纖毛生長的形態、位置與空間分布。因此，運動纖毛研究為理解非平衡態物理如何在分子、細胞與器官之間建立跨層級的自組織與耦合反饋提供了一個結構清晰且可定量分析的范本。

本報告將以纖毛與纖毛器官的力學分析為主線，結合數理模型解析纖毛系統協同涌現與組織形態生產的基本規律，并討論這些認識對前沿生物工程體系以及單細胞向多細胞轉變的機制研究能提供的思路與方法。

分享大綱

1. 運動纖毛在真核生物中的多樣化表達

2. 纖毛擺動的相位振子簡化模型

3. 纖毛陣列自發協同的物理分析

4. 纖毛器官形態與功能之間的流體力學標度關系

核心概念

真核纖毛，運動纖毛，相位振子，群體協同，異時波，流體泵送，標度律

主講人介紹

主講人：凌峰，南開大學物理科學學院教授。入選國家級青年人才計劃，南開大學“百名青年學科帶頭人”培養計劃。主要從事生命物質物理學和生物流體力學研究。2022年獲美國南加州大學Viterbi工學院機械工程系流體力學博士學位（導師：Dr. Eva Kanso 教授，生物仿生動力學研究組），并獲得南加州大學Jenny Wang優秀教學獎。之后在德國Helmholtz Munich研究所Helmholtz Pioneer Campus、生物工程中心與生物醫學成像中心（Dr. Janna Nawroth 力學生物學研究組）任博士后研究員。2026年入職南開大學物理科學學院。長期聚焦于真核細胞運動纖毛、魚群等活性物質與生命系統自組織與群體遷移現象的研究，在Nature Physics、Nature Communications、PNAS等期刊發表研究論文10余篇。

參考文獻

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時間信息

2026年3月20日（周五）晚19:30-21:30，騰訊會議線上進行，微信視頻號+集智俱樂部B站號同步直播，感興趣的朋友掃碼報名加入細胞動力學讀書會后，可進入學員群進行交流。

直播信息

報名讀書會：

「細胞動力學:基因網絡、群細胞、組織形態與發育」

由李輝、王維康、韋曉慧三位學者及王艷博士共同發起，并沿兩條主線展開：一是探討細胞命運、多穩態等理論核心；二是結合單細胞測序、時序推斷等方法，學習如何將靜態數據轉化為動態模型。

中將融合物理學、復雜科學與系統生物學，從Waddington景觀、自組織臨界，到反應-擴散模型與類器官實驗，繪制一幅理解細胞命運與群體動力學的連貫地圖。

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