近日，上海交通大学自然科学研究院与物理与天文学院的佐野雅己教授课题组在Physical Review Letters上发表了题为“Integer Topological Defects Reveal Antisymmetric Forces in Active Nematics”的研究论文。该工作中，研究人员发现了整数拓扑缺陷对主动向列系统的吸引现象，并通过粒子模拟和连续理论成功揭示了反对称力在其中发挥的关键作用。

拓扑缺陷在生物学环境中可以发挥关键作用，包括细胞内骨架动力学、胚胎发育期间的组织生长以及细菌菌落中的群体水平扩张。半整数拓扑缺陷出现在由细胞融合形成的二维组织（活性向列）中，提供了细胞聚集、挤出、形成三维结构的位点。整数电荷拓扑缺陷也提供了生物发育的位点，例如水螅的头部和足部再生、植物组织生长等。星状体，漩涡（螺旋）和同心圆是在自然界中广泛发现的整数拓扑缺陷。

目前的理论将活性向列系统划分为收缩或伸展系统。然而，最近的实验表明，无论整数缺陷的类型如何，神经祖细胞都呈现出朝向整数缺陷中心的大规模流动，并聚集在缺陷中心。这种现象似乎是普遍存在的，但是无法被收缩或者伸展的二分理论所解释。先前的理论预测，在伸展系统中，细胞聚集在星状体和弱弯曲螺旋的核心，但从同心圆和紧密弯曲螺旋中逃逸（在收缩系统中相反）。有关于活性向列系统的理论研究需要进一步扩展，以加强对细胞集体运动的理解。

左图：细胞在同心圆拓扑缺陷上的积累和逃逸。中图：细胞在星状拓扑缺陷上的积累和逃逸。右图：活性向列的四种分类。

为了克服这一挑战，佐野雅己课题组采用自下而上的方法建立了一个由细胞实验激发的理论。此工作首先研究了一个包含细胞基本特征和外场的粒子模型，并进一步从中推导出连续理论。粒子模型和连续理论定性地解释了主要的实验结果，即细胞积累在任何类型的整数缺陷的核心。通过对连续理论进行分析，研究人员认为细胞积累本质上是由于两个通常被忽视的反对称活性力。

基于理论的普适性，反对称活性力很可能在生物组织中普遍存在。反对称力进一步将活性向列系统的收缩/扩展二分法扩展为四种不同的分类和新的相图。这种分类可以作为一种通用工具，根据各种细胞在拓扑缺陷处的行为，不同的细胞将被划分在不同的区域，从而加深研究人员对细胞之间的相互作用的理解。

上海交通大学博士生赵子惠和姚依嵩为论文共同第一作者，上海交通大学佐野雅己教授为通讯作者，上海交通大学张何朋教授在理论计算方面提供了指导。本研究得到了国家自然科学基金的资助。