多细胞原生生物群体构型对流体力学性能的影响：基于新型优化正则化Stokeslet模型的揭示

这篇研究通过开发新型优化正则化Stokeslet模型，揭示了领鞭毛虫（Choanoeca flexa）群体构型（鞭毛向内/向外）对游泳速度和捕食水流量的影响。研究发现：鞭毛向外群体游泳更快，而鞭毛向内群体单细胞摄食效率更高，为多细胞生物进化中的功能权衡（trade-off）提供了流体力学机制解释。

　　

亮点

本研究通过创新优化的正则化力偶极子（regularized-force-dipoles）模型，首次量化了领鞭毛虫（C. flexa）群体构型对流体力学性能的影响，揭示了鞭毛向内（flagella-in）与向外（flagella-out）构型在游泳和摄食功能上的进化权衡。

鞭毛向内群体的实验与模拟

通过视频显微技术记录活体C. flexa的球形杯状群体（图5），建立简化模型：假设细胞均匀分布于固定半径球面，鞭毛用正则化力偶极子表示。模型显示，群体前端细胞密度增加可提升整体游泳速度，且所有位置细胞的水流量同步增加——这与实测数据高度吻合。

创新建模方法

针对微观尺度多细胞生物（含数十至数百鞭毛）的流体模拟难题，本研究提出"最小化鞭毛表征"策略：通过选择特定类别的正则化δ函数（regularized delta function），优化力偶极子参数以匹配单细胞精细模型的流场。该方法大幅降低计算成本，使大规模群体模拟成为可能。

作者贡献声明

陈鸿飞：综述撰写/建模/可视化；Tom Hata：数据验证/分析；Ricardo Cortez：方法论/基金支持；Hoa Nguyen：生物实验设计；M.A.R. Koehl：生态力学解读；Lisa Fauci：跨学科协作指导。

基金声明

研究受美国国家科学基金会（NSF-DMS/NIH-NIGMS）跨学科生物数学合作项目（2054333/2054143/2054259）及西蒙斯基金会（SFI-MPS-SFM-00006482）资助。

利益冲突声明

作者声明除标注基金支持外无其他竞争性利益关系。