Dynamics of active surfaces

Mechano-chemical processes in biological systems play an important role during the morphogenesis of cells and tissues. In particular, they are responsible for the dynamic organisation of active stress, which itself results from non-equilibrium processes and leads to flows and deformations of material. The generation of active stress often occurs in thin biological structures, such as the cellular cortex or epithelial tissues, which motivates the theoretical concept of an active surface. In this thesis, we study the dynamics of curved and deforming active surfaces. More specifically, we are interested in the dynamics of mechano-chemical processes on these surfaces, as well as in their interaction with the surface shape and external forces. To study the interplay of mechano-chemical processes with shape changes of the material, we consider the fully self-organised shape dynamics using the theory of active fluids on deforming surfaces. We then develop a numerical approach to solve the corresponding force and torque balance equations. We further examine how the stability of surface shapes is affected by mechano-chemical processes. We show that the tight coupling between chemical processes and surface mechanics gives rise to the spontaneous generation of specific surface shapes, to shape oscillations and to directed surface flows that resemble peristaltic motion. In the following part, we explore the mechano-chemical self-organisation of active fluids on fixed surfaces, focussing on mechanical interactions with surrounding material. We introduce a description in which active surface flows set a surrounding passive fluid into motion. We then study two scenarios. First, inspired by the cellular cortex and its interactions with the cytoplasm, we consider a fluid that is enclosed by the surface. We find that mechanical interactions with the surrounding passive fluid enable an isotropic active surface to spontaneously generate patterns with polar asymmetry and to form a contractile ring in a fully self-organised fashion. Second, we consider the case where the passive fluid surrounds the active surface on the outside. This description leads to the model of a microswimmer, which is characterised by an onset of motion due to spontaneous symmetry breaking on the active surface. Most biological materials are viscoelastic, such that they show viscous and elastic responses if mechanical stress is applied on different time scales. In the final part of this thesis, we therefore consider a surface whose response to self-organised active stress is described by a Maxwell model. We identify a minimal time scale for the relaxation of elastic stress, beyond which spatio-temporal, mechano-chemical oscillations on the surface can spontaneously emerge. In summary, we identify and characterise in this thesis various processes that result from the self-organisation of active surfaces. The underlying coupling between surface mechanics and a chemical organisation of stress in the material represents a key feature of morphogenetic processes in biology. Furthermore, we develop several numerical approaches that will enable to study alternative constitutive relations of active surfaces in the future. Overall, we contribute theoretical insights and numerical tools to further the understanding of the emerging spatial organisation and shape generation of active surfaces.Mechanochemische Prozesse spielen eine wichtige Rolle für die Morphogenese von biologischen Zellen und Geweben. Sie sind insbesondere verantwortlich für die dynamische Organisation von aktiver mechanischer Spannung, welche Nicht-Gleichgewichtsprozessen entstammt und zu Flüssen und Verformungen von Material führt. Aktive mechanische Spannung wird häufig in dünnen biologischen Strukturen erzeugt, wie zum Beispiel dem Zellkortex oder dem Epithelgewebe, was die Einführung von aktiven Flächen als theoretisches Konzept motiviert. In der vorliegenden Arbeit untersuchen wir die Dynamik von gekrümmten und sich verformenden aktiven Flächen. Dabei interessieren wir uns insbesondere für die Dynamik mechanochemischer Prozesse auf diesen Flächen, sowie für deren Wechselwirkung mit der Flächenform und externen Kräften. Zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen mechanochemischen Prozessen und Flächenverformungen nutzen wir die hydrodynamische Theorie aktiver Fluide auf sich verformenden Flächen und betrachten eine vollständig selbstorganisierte Flächendynamik. Wir entwickeln eine Methode zur Bestimmung numerischer Lösungen des Kräfte- und Drehmomentgleichgewichts auf Flächen und untersuchen wie die Stabilität von Flächenformen durch mechanochemische Prozesse beeinflusst wird. Wir zeigen, dass die enge Kopplung zwischen chemischen Prozessen und der Mechanik von Flächen zur spontanen Erzeugung spezifischer Formen, zu Formoszillationen und zu gerichteten Flüssen führt, welche eine peristaltische Bewegung nachbilden. Im Folgenden untersuchen wir die mechanochemische Selbstorganisation aktiver Fluide auf festen Flächen und betrachten mechanische Wechselwirkungen mit umgebendem Material. Dazu beschreiben wir ein umgebendes passives Fluid, welches durch aktive Flüsse auf der Fläche in Bewegung versetzt wird. Im Rahmen dieser Beschreibung untersuchen wir zwei Szenarien. Inspiriert durch die Wechselwirkung des Zellkortex mit dem Zytoplasma, betrachten wir zuerst ein Fluid, welches durch die Fläche eingeschlossen wird. Wir zeigen, dass die mechanische Wechselwirkung einer isotropen, aktiven Fläche mit dem umgebenden Fluid es ermöglicht, Muster mit einer polaren Asymmetrie, sowie einen kontraktilen Ring spontan und selbstorganisiert zu bilden. Danach betrachten wir ein passives Fluid, welches die Fläche außen umgibt. Diese Beschreibung führt zu einem Modell für einen Mikroschwimmer, welcher durch eine spontane Symmetriebrechung auf der aktiven Fläche beginnt sich durch das passive Fluid zu bewegen. Die meisten biologischen Materialien verhalten sich viskoelastisch, sodass deren mechanische Antwort je nach Zeitskala einer applizierten mechanischen Spannung viskos und elastisch ausfallen kann. Im abschließenden Teil dieser Arbeit betrachten wir daher eine Fläche, deren mechanische Antwort auf aktive Spannung durch ein Maxwell-Modell beschrieben wird. Wir bestimmen eine minimale Zeitskala für die Relaxation von elastischer Spannung, welche das spontane Einsetzen räumlich-zeitlicher Oszillationen aktiver mechanischer Spannung kennzeichnet. Zusammengefasst identifizieren und charakterisieren wir in dieser Arbeit eine Reihe von Prozessen, welche der Selbstorganisation aktiver Flächen entspringen. Die zugrundeliegende Kopplung zwischen der Mechanik von Flächen und einer chemischen Organisation aktiver mechanischer Spannung stellen ein Schlüsselprinzip morphogenetischer Vorgänge in der Biologie dar. Zusätzlich entwickeln wir eine Reihe numerischer Methoden, welche es in Zukunft erlauben weitere Beschreibungen aktiver Flächen zu untersuchen. Damit trägt diese Arbeit neue theoretische Einsichten und numerische Algorithmen zur Verbesserung des Verständnisses der emergenten räumlichen Organisation und Formerzeugung aktiver Flächen bei

Anyonic Defect Braiding and Spontaneous Chiral Symmetry Breaking in Dihedral Liquid Crystals

Dihedral ('$k$-atic') liquid crystals (DLCs) are assemblies of microscopic constituent particles that exhibit $k$-fold discrete rotational and reflection symmetries. Generalizing the half-integer defects in nematic liquid crystals, two-dimensional $k$-atic DLCs can host point defects of fractional topological charge $\pm m/k$. Starting from a generic microscopic model, we derive a unified hydrodynamic description of DLCs with aligning or anti-aligning short-range interactions in terms of Ginzburg-Landau and Landau-Brazovskii-Swift-Hohenberg theories for a universal complex order-parameter field. Building on this framework, we demonstrate in both particle and continuum simulations how adiabatic braiding protocols, implemented through suitable boundary conditions, can emulate anyonic exchange behavior in a classical system. Analytic solutions and simulations of the mean-field theory further predict a novel spontaneous chiral symmetry breaking transition in anti-aligning DLCs, in quantitative agreement with the patterns observed in particle simulations.Comment: Figs. 3, 6 and S1 added; Analytic solutions added (Sec. V.B.4, Appendix C), Refs. [8], [14], [26], [53]-[60], [80], [81] adde

Lessons from Oxypnictide Thin Films

First experiments on the growth of oxypnictide F-doped LaFeAsO thin films indicated an incomplete normal-to-superconducting transition and offered a work programme challenging to overcome possible difficulties in their fabrication. In this regard the possibility of an all in-situ epitaxial growth appeared to be a matter of time and growth parameters. The following review clarifies that F-doped oxypnictide thin films are extremely difficult to grow by in-situ PLD due to the formation of very stable impurity phases such as oxyfluorides (LaOF) and oxides (La2O3) and the loss of stoichiometry possibly due to incongruent evaporation of the target or re-evaporation of volatile elements at the substrate surface. However, the review also demonstrates that the employed two-step fabrication process for oxypnictide thin films has been successfully applied in the preparation of clean polycrystalline as well as of epitaxial thin films. Fundamental investigations on the upper critical field, its temperature dependence and its anisotropy contributed to an understanding of multiband superconductivity in oxypnictides.Comment: accepted, pre-print versio

Rheology of suspensions of flat elastic particles

We consider a suspension of non-interacting flat elastic particles in a Newtonian fluid. We model a flat shape as three beads, carried along by the flow according to Stokes' law, and connected by nonlinear springs, chosen such that the energy is quadratic in the area. In analogy with common dumbbell models involving two beads connected by linear springs, we solve the stochastic equations of motion exactly to compute the constitutive law for the stress tensor of a flat elastic particle suspension. A lower convected time derivative naturally arises as part of the constitutive law, but surprisingly the rheological response in strong extensional and strong contracting flows is similar to that of the classical Oldroyd-B model associated with dumbbell suspensions.Comment: 8 pages, 1 figur

Learning developmental mode dynamics from single-cell trajectories

Embryogenesis is a multiscale process during which hierarchical symmetry breaking transitions give rise to a fully developed organism. Recent advances in high-resolution live-cell microscopy provide unprecedented insights into the collective cell dynamics at various stages of embryonic development. The rapid experimental progress poses the theoretical challenge of translating high-dimensional imaging data into predictive low-dimensional models that capture the essential ordering principles governing developmental cell migration in complex geometries. Here, we combine mode decomposition ideas that have proved successful in condensed matter physics and turbulence theory with recent advances in sparse dynamical systems inference to realize a computational framework for learning quantitative continuum models from single-cell imaging data. Considering pan-embryo cell migration during early gastrulation in zebrafish as a widely studied example, we show how cell trajectory data on a curved surface can be coarse-grained and compressed with suitable harmonic basis functions. The resulting low-dimensional representation of the early gastrulation process reveals a multilayer interaction network between dominant dynamical modes that enables the symmetry breaking transition from a homogeneous animal pole to an increasingly structured cell assembly. Due to its generic conceptual foundation, we expect this approach to be broadly applicable to obtain a quantitative biophysical understanding of a wide range of developmental structure formation processes.Comment: main text: 11 pages, 3 figures; si text: 14 pages, 7 figure

Learning hydrodynamic equations for active matter from particle simulations and experiments

Recent advances in high-resolution imaging techniques and particle-based simulation methods have enabled the precise microscopic characterization of collective dynamics in various biological and engineered active matter systems. In parallel, data-driven algorithms for learning interpretable continuum models have shown promising potential for the recovery of underlying partial differential equations (PDEs) from continuum simulation data. By contrast, learning macroscopic hydrodynamic equations for active matter directly from experiments or particle simulations remains a major challenge. Here, we present a framework that leverages spectral basis representations and sparse regression algorithms to discover PDE models from microscopic simulation and experimental data, while incorporating the relevant physical symmetries. We illustrate the practical potential through applications to a chiral active particle model mimicking swimming cells and to recent microroller experiments. In both cases, our scheme learns hydrodynamic equations that reproduce quantitatively the self-organized collective dynamics observed in the simulations and experiments. This inference framework makes it possible to measure a large number of hydrodynamic parameters in parallel and directly from video data.Comment: Added statistical analysis of learned parameters, Added comparison to analytic coarse-graining approaches, Added spectral comparisons, Added framework application on fish dat

Dynamics, scaling behavior, and control of nuclear wrinkling

The cell nucleus is enveloped by a complex membrane, whose wrinkling has been implicated in disease and cellular aging. The biophysical dynamics and spectral evolution of nuclear wrinkling during multicellular development remain poorly understood due to a lack of direct quantitative measurements. Here, we combine live-imaging experiments, theory, and simulations to characterize the onset and dynamics of nuclear wrinkling during egg development in the fruit fly, Drosophila melanogaster, when nurse cell nuclei increase in size and display stereotypical wrinkling behavior. A spectral analysis of three-dimensional high-resolution data from several hundred nuclei reveals a robust asymptotic power-law scaling of angular fluctuations consistent with renormalization and scaling predictions from a nonlinear elastic shell model. We further demonstrate that nuclear wrinkling can be reversed through osmotic shock and suppressed by microtubule disruption, providing tunable physical and biological control parameters for probing mechanical properties of the nuclear envelope. Our findings advance the biophysical understanding of nuclear membrane fluctuations during early multicellular development.Comment: Main text: 10 pages, 3 figures. SI: 19 pages, 10 figures, 1 tabl

Dynamics of active surfaces

Mechano-chemical processes in biological systems play an important role during the morphogenesis of cells and tissues. In particular, they are responsible for the dynamic organisation of active stress, which itself results from non-equilibrium processes and leads to flows and deformations of material. The generation of active stress often occurs in thin biological structures, such as the cellular cortex or epithelial tissues, which motivates the theoretical concept of an active surface. In this thesis, we study the dynamics of curved and deforming active surfaces. More specifically, we are interested in the dynamics of mechano-chemical processes on these surfaces, as well as in their interaction with the surface shape and external forces. To study the interplay of mechano-chemical processes with shape changes of the material, we consider the fully self-organised shape dynamics using the theory of active fluids on deforming surfaces. We then develop a numerical approach to solve the corresponding force and torque balance equations. We further examine how the stability of surface shapes is affected by mechano-chemical processes. We show that the tight coupling between chemical processes and surface mechanics gives rise to the spontaneous generation of specific surface shapes, to shape oscillations and to directed surface flows that resemble peristaltic motion. In the following part, we explore the mechano-chemical self-organisation of active fluids on fixed surfaces, focussing on mechanical interactions with surrounding material. We introduce a description in which active surface flows set a surrounding passive fluid into motion. We then study two scenarios. First, inspired by the cellular cortex and its interactions with the cytoplasm, we consider a fluid that is enclosed by the surface. We find that mechanical interactions with the surrounding passive fluid enable an isotropic active surface to spontaneously generate patterns with polar asymmetry and to form a contractile ring in a fully self-organised fashion. Second, we consider the case where the passive fluid surrounds the active surface on the outside. This description leads to the model of a microswimmer, which is characterised by an onset of motion due to spontaneous symmetry breaking on the active surface. Most biological materials are viscoelastic, such that they show viscous and elastic responses if mechanical stress is applied on different time scales. In the final part of this thesis, we therefore consider a surface whose response to self-organised active stress is described by a Maxwell model. We identify a minimal time scale for the relaxation of elastic stress, beyond which spatio-temporal, mechano-chemical oscillations on the surface can spontaneously emerge. In summary, we identify and characterise in this thesis various processes that result from the self-organisation of active surfaces. The underlying coupling between surface mechanics and a chemical organisation of stress in the material represents a key feature of morphogenetic processes in biology. Furthermore, we develop several numerical approaches that will enable to study alternative constitutive relations of active surfaces in the future. Overall, we contribute theoretical insights and numerical tools to further the understanding of the emerging spatial organisation and shape generation of active surfaces.Mechanochemische Prozesse spielen eine wichtige Rolle für die Morphogenese von biologischen Zellen und Geweben. Sie sind insbesondere verantwortlich für die dynamische Organisation von aktiver mechanischer Spannung, welche Nicht-Gleichgewichtsprozessen entstammt und zu Flüssen und Verformungen von Material führt. Aktive mechanische Spannung wird häufig in dünnen biologischen Strukturen erzeugt, wie zum Beispiel dem Zellkortex oder dem Epithelgewebe, was die Einführung von aktiven Flächen als theoretisches Konzept motiviert. In der vorliegenden Arbeit untersuchen wir die Dynamik von gekrümmten und sich verformenden aktiven Flächen. Dabei interessieren wir uns insbesondere für die Dynamik mechanochemischer Prozesse auf diesen Flächen, sowie für deren Wechselwirkung mit der Flächenform und externen Kräften. Zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen mechanochemischen Prozessen und Flächenverformungen nutzen wir die hydrodynamische Theorie aktiver Fluide auf sich verformenden Flächen und betrachten eine vollständig selbstorganisierte Flächendynamik. Wir entwickeln eine Methode zur Bestimmung numerischer Lösungen des Kräfte- und Drehmomentgleichgewichts auf Flächen und untersuchen wie die Stabilität von Flächenformen durch mechanochemische Prozesse beeinflusst wird. Wir zeigen, dass die enge Kopplung zwischen chemischen Prozessen und der Mechanik von Flächen zur spontanen Erzeugung spezifischer Formen, zu Formoszillationen und zu gerichteten Flüssen führt, welche eine peristaltische Bewegung nachbilden. Im Folgenden untersuchen wir die mechanochemische Selbstorganisation aktiver Fluide auf festen Flächen und betrachten mechanische Wechselwirkungen mit umgebendem Material. Dazu beschreiben wir ein umgebendes passives Fluid, welches durch aktive Flüsse auf der Fläche in Bewegung versetzt wird. Im Rahmen dieser Beschreibung untersuchen wir zwei Szenarien. Inspiriert durch die Wechselwirkung des Zellkortex mit dem Zytoplasma, betrachten wir zuerst ein Fluid, welches durch die Fläche eingeschlossen wird. Wir zeigen, dass die mechanische Wechselwirkung einer isotropen, aktiven Fläche mit dem umgebenden Fluid es ermöglicht, Muster mit einer polaren Asymmetrie, sowie einen kontraktilen Ring spontan und selbstorganisiert zu bilden. Danach betrachten wir ein passives Fluid, welches die Fläche außen umgibt. Diese Beschreibung führt zu einem Modell für einen Mikroschwimmer, welcher durch eine spontane Symmetriebrechung auf der aktiven Fläche beginnt sich durch das passive Fluid zu bewegen. Die meisten biologischen Materialien verhalten sich viskoelastisch, sodass deren mechanische Antwort je nach Zeitskala einer applizierten mechanischen Spannung viskos und elastisch ausfallen kann. Im abschließenden Teil dieser Arbeit betrachten wir daher eine Fläche, deren mechanische Antwort auf aktive Spannung durch ein Maxwell-Modell beschrieben wird. Wir bestimmen eine minimale Zeitskala für die Relaxation von elastischer Spannung, welche das spontane Einsetzen räumlich-zeitlicher Oszillationen aktiver mechanischer Spannung kennzeichnet. Zusammengefasst identifizieren und charakterisieren wir in dieser Arbeit eine Reihe von Prozessen, welche der Selbstorganisation aktiver Flächen entspringen. Die zugrundeliegende Kopplung zwischen der Mechanik von Flächen und einer chemischen Organisation aktiver mechanischer Spannung stellen ein Schlüsselprinzip morphogenetischer Vorgänge in der Biologie dar. Zusätzlich entwickeln wir eine Reihe numerischer Methoden, welche es in Zukunft erlauben weitere Beschreibungen aktiver Flächen zu untersuchen. Damit trägt diese Arbeit neue theoretische Einsichten und numerische Algorithmen zur Verbesserung des Verständnisses der emergenten räumlichen Organisation und Formerzeugung aktiver Flächen bei