一篇让软物质物理学家和细胞生物学家同时兴奋的论文
2026年6月18日，arXiv上出现了一篇编号为2606.19844的预印本论文，标题是"Epithelia Realize Nematopolar Topological Defect Structures"——上皮组织实现了线向极性拓扑缺陷结构。这篇论文的作者团队来自丹麦哥本哈根大学等多个机构，包括马天翔（Tianxiang Ma）、Niels de Graaf Sousa、Valeriia Grudtsyna、Farzan Vafa以及Amin Doostmohammadi。
这篇论文的核心发现，用一句话概括就是：上皮细胞单层并不是我们过去认为的简单"向列相"（nematic）活性物质，而是一种更为复杂的"线向极性"（nematopolar）物质——它同时具有向列序和极性序，两种序的耦合共同塑造了组织的活性态。
如果你对软凝聚态物理不熟悉，这句话可能读起来有些吃力。别急，我们从头说起。
什么是拓扑缺陷？为什么它在生物系统中如此重要？
拓扑缺陷（topological defect）是凝聚态物理学中最优雅的概念之一。想象一下，你在一个平面上画满了箭头，每个箭头代表一个分子或者一个细胞的取向。如果这些箭头排列得整整齐齐，那就没有什么有趣的事情发生。但如果在某个区域内，箭头的排列出现了一个"奇点"——比如所有箭头绕着一个点旋转了180度或者360度——这个奇点就是一个拓扑缺陷。
在向列相液晶中，拓扑缺陷有两种基本类型：整数缺陷（topological charge为±1）和半整数缺陷（topological charge为±1/2）。整数缺陷的箭头绕一圈旋转360度，半整数缺陷则旋转180度。半整数缺陷的存在是向列相的一个标志性特征——它意味着序参量不是一个普通的矢量（polar vector），而是一个"指向矢"（nematic director），也就是说箭头的"头"和"尾"没有区别，翻转180度后物理状态不变。
近年来，拓扑缺陷在生物学中的角色引起了广泛关注。2024年前后的多项研究发现，细胞培养中的拓扑缺陷不仅仅是一种视觉上有趣的图案——它们与细胞的集体行为、组织的力学性质、甚至胚胎发育过程中的形态发生都有着密切的关联。正半整数缺陷（+1/2 defect）周围往往聚集着高速运动的细胞，而负半整数缺陷（-1/2 defect）周围则倾向于形成细胞密度的低谷。有研究表明，在斑马鱼胚胎的发育过程中，拓扑缺陷的排列可以指示体轴的方向。
理解拓扑缺陷的关键在于理解"序参量"（order parameter）这个概念。序参量是描述系统有序程度的物理量。在磁性材料中，序参量是磁化强度——一个有方向的矢量。在向列相液晶中，序参量是指向矢——一个没有"头""尾"之分的方向场。在极性相中，比如铁电体，序参量是一个有方向的极化矢量。
拓扑缺陷的"拓扑"二字意味着，这些缺陷不能通过连续变形来消除。你可以把一个+1/2缺陷想象成一块布料上的一个褶皱——无论你怎么拉扯布料，这个褶皱都不会消失，除非你把布撕破。这种不可消除性正是拓扑的本质含义。
在物理学中，拓扑缺陷的存在往往与对称性破缺（symmetry breaking）密切相关。当一个系统从高对称的无序相转变到低对称的有序相时，不同区域的序参量可能"选择"了不同的取向，这些不同取向的区域之间的界面就会形成拓扑缺陷。这就是著名的Kibble-Zurek机制——它最初是为了描述宇宙早期相变中磁单极子的形成而提出的，后来被推广到了凝聚态物理和生物物理的各个领域。
马天翔团队提出的"形状极性"序参量
过去研究上皮组织中拓扑缺陷的方法，主要是通过图像分析来确定每个细胞的长轴方向，从而构建出一个向列序参量场。这种方法虽然直观，但有一个根本性的局限：它只捕捉了细胞形状的"无头无尾"信息，忽略了细胞形状本身可能携带的极性（polar）信息。
什么是极性？想象一个细胞不是完美的椭圆形，而是略微像一个梨——一头圆一头尖。这个"圆-尖"的不对称性就是一个极性矢量：它不仅指明了一个方向，而且这个方向是有"头"和"尾"之分的，翻转180度后就变成了不同的物理状态。
要理解为什么细胞形状会具有极性，需要考虑上皮细胞内部的细胞骨架结构。细胞内部充满了肌动蛋白丝（actin filaments）和微管（microtubules），这些纤维结构具有固有的极性——它们有"正端"和"负端"之分。肌动蛋白丝的正端是快速生长的一端，负端是慢速生长的一端。这种分子层面的极性可以通过细胞骨架的自组织传递到整个细胞的形状层面，使得细胞形状表现出结构性的不对称。
马天翔团队的关键创新在于，他们提出了一个基于细胞形状的极性序参量（polar order parameter）。具体来说，他们对每个细胞的轮廓进行分析，提取出细胞形状的结构性不对称性。这个序参量可以量化细胞形状偏离完美对称的程度，以及这种偏离所指向的方向。
从数学上讲，这个分析过程可以这样理解：对于一个给定的细胞轮廓，你可以计算它的各阶形状矩（shape moments）。一阶矩描述了形状的质心偏移，二阶矩描述了形状的椭圆度和取向，而三阶矩则描述了形状的不对称性——正是这个三阶矩构成了极性序参量的数学基础。通过对三阶矩进行适当的归一化和方向提取，就可以得到一个指向细胞"较尖"一端的极性矢量。
这个方法的巧妙之处在于，它不需要任何荧光标记或复杂的成像技术——仅仅通过明场成像（bright-field imaging）就能提取出极性信息。这意味着这个方法具有很强的普适性和可操作性。
更进一步说，形状极性序参量的引入不仅仅是方法学上的创新，它触及了一个更深层的物理问题：在一个由活性单元组成的系统中，单元的形状本身就是一种物理信息的载体。在被动系统中（比如普通的液晶），分子的形状决定了分子的排列方式。但在活性系统中，分子（或细胞）的形状和它们的运动、力学行为之间存在着双向的耦合——形状影响力学，力学也反过来改变形状。形状极性序参量正是捕捉了这种双向耦合的一个切面。
明场成像与牵引力显微镜的结合
为了验证形状极性序参量的物理意义，马天翔团队将明场成像与牵引力显微镜（traction force microscopy, TFM）结合在了一起。
牵引力显微镜是一种测量细胞施加在基底上力学牵引力的技术。它的基本原理是：将细胞培养在一个弹性凝胶基底上，凝胶中嵌入了荧光微珠。当细胞收缩或迁移时，它们会拉扯凝胶，导致荧光微珠位移。通过追踪微珠的位移，就可以反推出细胞施加在基底上的牵引力场。
TFM的数学反演过程并不简单。从微珠的位移场到牵引力场的反演，需要求解一个弹性力学的逆问题。在半无限大弹性体的假设下，这个问题可以通过Boussinesq格林函数的卷积来求解。在实际操作中，通常使用傅里叶变换牵引力显微镜（Fourier Transform Traction Microscopy, FTTM）来进行快速的数值反演。
通过这种联合实验方案，团队发现了一个令人兴奋的结果：细胞形状的极性矢量与主应力方向（principal stress directions）、细胞运动方向（cellular motion）之间存在着系统性的关联。换句话说，形状极性不仅仅是一个几何量——它编码了上皮组织中的力学信息和动力学信息。
这个发现的物理含义值得仔细品味。主应力方向描述的是组织内部的内力分布——哪个方向受到拉伸，哪个方向受到压缩。细胞运动方向描述的是集体流动的模式——细胞群在朝哪个方向迁移。而形状极性描述的是细胞形态的不对称性。这三个量分别属于力学、动力学和几何学三个不同的"学科"，但它们在上皮组织中却表现出了系统性的关联。
这意味着形状极性可以作为一个统一的生物力学度量（unifying biomechanical metric），将向列指向矢、主应力场和细胞运动场这三个看似不同的物理量整合到一个统一的框架中。
这种"统一"并不是偶然的。从物理的角度看，细胞的形状是力学平衡的结果——细胞内外的各种力（牵引力、细胞间力、皮层张力等）的平衡决定了细胞的稳态形状。因此，形状信息中必然编码着力学信息。但马天翔团队的工作第一次以定量的方式证明了这种编码关系，并且给出了一个可以直接从图像中提取的量化指标。
线向极性混合相：整数缺陷与半整数缺陷的共存
论文中最令人瞩目的发现之一是：上皮组织呈现出一种"线向极性混合相"（mixed polar-nematic phase），其中整数拓扑缺陷（±1）和半整数拓扑缺陷（±1/2）共存。
在传统的向列相液晶中，半整数缺陷的存在是被允许的，因为序参量具有头尾对称性。而在传统的极性相中（比如铁电体），序参量是一个有方向的矢量，只有整数缺陷才是被允许的。
这个区别可以用一个简单的几何论证来理解。想象你在平面上围绕一个缺陷走一圈，追踪序参量方向的变化。在向列相中，序参量是指向矢，翻转180度不改变物理状态，所以序参量只需要旋转180度（半圈）就可以回到原始方向，允许半整数缺陷。在极性相中，序参量是矢量，翻转180度会改变物理状态，所以序参量必须旋转360度（一整圈）才能回到原始方向，只允许整数缺陷。
当这两种序同时存在于一个系统中时，会发生什么？这就是这篇论文要回答的核心问题。
马天翔团队通过实验观察发现，在上皮细胞单层中，拓扑缺陷谱（defect spectrum）同时包含了±1和±1/2四种类型的缺陷。这一发现本身就具有重要的物理意义——它表明上皮组织不能被简单地归类为向列相或者极性相，而是一种同时具有两种序的"线向极性"（nematopolar）相。
"线向极性"这个词本身需要解释一下。"线向"（nemato-）来自希腊语"nema"（线），描述的是物体的取向有序——就像一把散落的筷子，每根筷子都有一个方向，但"头"和"尾"没有区别。"极性"（polar）描述的是物体的方向有序——就像一根箭，不仅有方向，还有"头"和"尾"之分。"线向极性"（nematopolar）就是同时具有这两种有序的状态。
更有趣的是，这些缺陷之间的相互作用也展现出了丰富的物理图像。团队观察到了由同号正半整数缺陷（like-signed positive half-integer defects）形成的"畴壁"（domain walls）——这些畴壁是连接相邻+1/2缺陷的准一维结构，它们的长度和稳定性受到系统参数的调控。
畴壁的概念来自磁学和铁电物理学。在铁磁体中，两个磁化方向相反的区域之间存在一个过渡层，这个过渡层就是畴壁。在上皮组织中，畴壁的形成机制有所不同：它不是由两个相反方向的极化区域之间的界面形成的，而是由同号缺陷之间的排斥相互作用和组织的活性应力之间的竞争所决定的。
+1/2缺陷在活性向列相中通常具有自驱动的性质——它们会沿着自己的极性方向自发地运动。当多个+1/2缺陷同时存在时，它们之间的弹性相互作用会试图将它们推开，而活性应力又会产生新的缺陷。这两种效应的平衡决定了畴壁的长度和稳定性。
机械微扰实验：基底刚度和细胞-细胞粘附的调控作用
为了深入理解驱动这种线向极性混合相形成的物理机制，马天翔团队进行了一系列机械微扰实验。
基底刚度的影响
首先是基底刚度（substrate stiffness）的调控。团队将上皮细胞培养在不同刚度的聚丙烯酰胺凝胶上，从非常柔软的（约0.5 kPa）到相对刚性的（约25 kPa）。
聚丙烯酰胺凝胶是细胞力学实验中最常用的基底材料之一。通过调节丙烯酰胺和双丙烯酰胺的浓度比，可以精确控制凝胶的弹性模量。0.5 kPa的凝胶非常柔软，接近脑组织的刚度；而25 kPa的凝胶则接近肌肉组织的刚度。通过在不同刚度的基底上培养细胞，可以系统地研究力学环境对细胞行为的影响。
结果发现，基底刚度的改变会显著影响拓扑缺陷的密度——较硬的基底倾向于产生更多的拓扑缺陷。这个结果是可以理解的：在较硬的基底上，细胞能够产生更大的牵引力，这些牵引力会增强活性应力（active stress），从而在向列相背景中产生更多的拓扑激发。
这里涉及到一个活性物质物理学中的重要概念——"活性失稳"（active instability）。在活性向列相中，当活性应力超过一个临界值时，均匀的取向态会变得不稳定，系统会自发地产生流动和拓扑缺陷。这个失稳的临界活性应力与系统的弹性常数有关。在较硬的基底上，细胞的牵引力更大，等效的活性应力更强，因此更容易超过失稳阈值，产生更多的拓扑缺陷。
但这里还有一个微妙之处：基底刚度不仅影响活性应力的大小，还可能影响细胞-基底粘附的模式和细胞骨架的组织方式。在非常柔软的基底上，细胞可能无法形成成熟的粘附斑（focal adhesions），这会削弱细胞与基底之间的力学耦合。在较硬的基底上，粘附斑更加成熟和稳定，力学耦合也更强。因此，基底刚度对拓扑缺陷密度的影响可能是通过多个机制共同实现的。
细胞-细胞粘附的影响
其次是细胞-细胞粘附（cell-cell adhesion）的调控。团队使用了一种抗体来部分阻断E-钙粘蛋白（E-cadherin）的功能——E-钙粘蛋白是上皮细胞之间最重要的粘附分子之一。
E-钙粘蛋白是一种跨膜蛋白，它通过同源的蛋白质-蛋白质相互作用将相邻的上皮细胞连接在一起。在细胞内部，E-钙粘蛋白的胞内结构域与catenin蛋白家族结合，进而连接到肌动蛋白细胞骨架。因此，E-钙粘蛋白不仅仅是细胞之间的"胶水"——它是将细胞间的粘附信号传递到细胞骨架和力学系统的关键节点。
当细胞-细胞粘附被削弱后，拓扑缺陷的密度和畴壁的长度都发生了变化。这表明细胞-细胞粘附不仅维持着组织的完整性，还在拓扑缺陷的形成和演化中扮演着重要角色。
从物理学的角度看，细胞-细胞粘附的削弱等效于降低了细胞间弹性耦合的强度。在活性物质的理论框架中，弹性耦合强度的降低会改变系统的活性失稳阈值——弹性耦合越弱，系统越容易失稳，产生的拓扑缺陷也越多。但E-钙粘蛋白的阻断还可能改变组织的力学边界条件和细胞的极性分布，这些效应的综合结果是一个值得深入研究的课题。
这两组实验共同表明，线向极性混合相不是一种偶然的、脆弱的状态，而是一种对系统参数有响应性的、具有鲁棒性的物理态。无论是改变基底刚度还是改变细胞-细胞粘附，系统都保持了整数缺陷和半整数缺陷共存的基本特征，只是缺陷的密度和空间分布发生了定量的变化。
连续体模型：活性应力与线向极性弹性的竞争
实验观察到了丰富的物理现象，但如何从理论层面理解这些现象？马天翔团队构建了一个极简的连续体模型（minimal continuum model）来描述线向极性活性物质。
连续体模型是软凝聚态物理中最常用的理论工具之一。它的基本思想是：不去追踪系统中的每一个微观组分（比如每一个细胞），而是用连续的场变量（比如序参量场、速度场、密度场）来描述系统的宏观行为。这些场变量满足一组偏微分方程，这些方程编码了系统的对称性、守恒律和相互作用。
马天翔团队的连续体模型包含以下核心要素：
第一，极性弹性（polar elasticity）。 极性序参量具有自身的弹性能量，它倾向于保持空间上的均匀性。任何偏离均匀态的空间变化都会产生弹性能的代价。在数学上，极性弹性能可以写成极性矢量梯度的泛函，类似于Ginzburg-Landau理论中的梯度能项。
第二，向列弹性（nematic elasticity）。 向列指向矢也具有自身的弹性能，它与Frank弹性能类似，描述了指向矢在空间中的扭曲（twist）、展曲（splay）和弯曲（bend）变形的能量代价。在连续体理论中，Frank弹性能可以写成指向矢梯度的各向异性泛函。
第三，活性应力（active stress）。 活性物质的一个根本特征是，系统内部的"马达"（比如细胞骨架中的肌球蛋白分子马达）可以将化学能转化为机械功，产生非平衡的应力。在向列相中，活性应力可以是"收缩型"（contractile）或"伸展型"（extensile）的，分别对应于系统自发收缩或自发伸展的倾向。在极性相中，活性应力也具有类似的行为，但由于极性矢量具有方向性，活性应力的表达式有所不同。
第四，极性-向列耦合（polar-nematic coupling）。 这是模型中最关键的新增项。极性序和向列序不是独立存在的——它们之间存在着耦合。极性矢量的方向会影响指向矢的排列，反之亦然。这种耦合的强度由一个耦合常数来控制，它的大小决定了两种序之间的竞争与合作的平衡。
模型中最关键的物理是：当活性应力超过一个临界值时，均匀的线向极性相会变得不稳定，系统会发生一种类似于"活性失稳"（active instability）的相变，自发地形成拓扑缺陷。在这个过程中，极性序和向列序的弹性常数之比（polar-to-nematic elastic constant ratio）决定了缺陷的类型和空间分布。
具体的物理图像是这样的：在低活性应力下，系统保持均匀的线向极性相，没有拓扑缺陷。当活性应力增加到临界值附近时，长波长的涨落开始增长，系统变得不稳定。在超临界区域，活性应力驱动的流动会自发地产生拓扑缺陷。极性-向列耦合的存在使得整数缺陷和半整数缺陷同时被产生——前者来自极性序的拓扑约束，后者来自向列序的拓扑约束。
通过数值模拟，团队重现了实验中观察到的主要特征：整数和半整数缺陷的共存、畴壁的形成、以及缺陷密度对活性应力强度的依赖关系。更重要的是，模型还做出了一些可以被实验检验的预测——比如畴壁长度与活性应力之间的标度关系，以及缺陷密度与弹性常数比之间的依赖关系。
这篇论文的几个深层意义
1. 上皮组织的物理分类需要更新
在此之前，大多数研究将上皮细胞单层视为"活性向列液晶"（active nematic liquid crystal）。这个分类在很多情况下是合理的——它成功地解释了许多实验观察，比如+1/2缺陷处的细胞高速流动、-1/2缺陷处的细胞停滞等。
但马天翔团队的工作表明，向列相的分类是不够的。上皮组织实际上同时具有向列序和极性序，这两种序的共存和耦合产生了新的物理行为，这是单纯的向列相模型无法描述的。
这并不意味着之前的向列相研究是"错的"——它们在一定近似下是正确的。但如果要更精确地描述上皮组织的物理行为，特别是拓扑缺陷的统计性质和动力学，就需要引入线向极性的框架。
一个类比可以帮助理解：在早期的凝聚态物理中，人们用"自由电子模型"来描述金属的性质。这个模型在很多情况下是成功的——它正确地预测了金属的导电性和热导率。但当人们发现了超导现象之后，自由电子模型就不够了——需要引入电子-声子相互作用和BCS理论。马天翔团队的工作在某种程度上类似于从"自由电子模型"到"BCS理论"的跨越——不是推翻旧理论，而是在旧理论的基础上添加了新的物理。
2. 形状极性作为生物力学信息的载体
形状极性序参量的引入，为我们理解组织力学提供了一个新的窗口。细胞不仅仅是"取向"的，它们还有"极性"——这个极性与力学信号紧密相关。
这可能具有重要的生物学意义。在发育过程中，细胞的极性是组织模式形成（pattern formation）的关键因素。如果细胞形状的极性确实编码了力学信息，那么我们可以通过分析细胞形状的极性来间接推断组织的力学状态，这为非侵入性的力学测量提供了可能。
在临床应用方面，细胞极性的异常已经被发现与多种疾病相关。例如，在上皮性肿瘤（癌）中，细胞极性的丧失是恶性转化的早期标志之一。如果形状极性序参量可以作为一种定量的生物标志物（biomarker），那么它可能在癌症的早期诊断中发挥作用。
3. 活性物质物理学的新方向
线向极性活性物质（nematopolar active matter）是一个相对新的概念。在此之前，活性物质的研究主要集中在活性向列相和活性极性相这两个极限情况。而线向极性相作为两者之间的"中间态"，其物理行为可能比两个极限都更丰富。
从理论物理的角度看，线向极性活性物质的相图和临界行为是一个全新的研究方向。在活性向列相中，人们已经发现了丰富的相行为——包括活性湍流、巨数涨落、Motility-Induced Phase Separation（MIPS）等。在线向极性系统中，这些相行为会如何被修正？是否会出现新的相？这些问题都有待回答。
马天翔团队的实验工作为理论研究提供了直接的实验基础。可以预见，接下来会有更多的理论和模拟工作来探索线向极性活性物质的相图、临界行为和动力学性质。
4. 拓扑缺陷与生物功能的关系
拓扑缺陷在生物学中的功能角色一直是活性物质领域的热门话题。在向列相的框架下，人们已经发现+1/2缺陷与细胞挤出（cell extrusion）密切相关——在+1/2缺陷附近，细胞更容易从组织中被挤出。这个发现可能与肿瘤的侵袭和转移有关——如果肿瘤细胞利用拓扑缺陷作为"出口"来从原发组织中逃逸，那么理解拓扑缺陷的物理性质就具有了医学意义。
在引入极性序之后，拓扑缺陷与生物功能之间的关系可能会变得更加丰富。极性矢量的方向可能与细胞的"前-后"极性（front-rear polarity）相关，而前-后极性又是细胞迁移方向的主要决定因素。因此，线向极性拓扑缺陷可能同时编码了组织的力学状态和细胞迁移的方向信息。
方法学的亮点
除了科学发现本身，这篇论文在方法学上也有不少值得称道的地方。
第一，纯明场成像分析。 整个实验不需要任何荧光标记——所有的序参量都是通过明场图像分析得到的。这不仅降低了实验的复杂性和成本，还避免了光漂白和光毒性的问题，使得长时间的活细胞成像成为可能。
在实际的细胞生物学实验中，荧光标记是一个双刃剑。一方面，荧光蛋白（如GFP、mCherry等）可以高特异性地标记目标蛋白，提供丰富的分子层面信息。另一方面，荧光标记可能影响被标记蛋白的功能，荧光激发会导致光漂白和光毒性，限制了实验的时间窗口。马天翔团队的方法完全绕开了这些限制。
第二，形状分析的量化框架。 极性序参量的定义是基于严格的数学框架的，而不是主观的视觉判断。这保证了结果的可重复性和可比性。在生物物理学领域，许多概念最初是定性描述的，后来才被逐步量化。形状极性序参量的提出，为"细胞极性"这个长期以来只能定性描述的概念提供了一个定量的、可操作的定义。
第三，实验与理论的紧密配合。 每一步实验观察都有对应的理论解释，而理论预测又可以被进一步的实验验证。这种"实验-理论"的双向互动是物理学研究的典范。
值得注意的是，马天翔团队的连续体模型是"极简"的——它只包含了描述线向极性活性物质所必需的最少物理要素。这种极简主义的建模哲学在物理学中有着悠久的传统：一个好的理论模型应该包含恰好足够的物理来解释实验现象，而不多也不少。过多的参数和机制会使模型变得不可证伪，过少则无法解释实验。
一些背景知识：活性物质物理学的兴起
为了让不熟悉这个领域的读者更好地理解这篇论文的意义，这里补充一些背景知识。
活性物质（active matter）是近二十年来软凝聚态物理学中最活跃的研究方向之一。所谓"活性物质"，是指由能够自主消耗能量并产生运动或力的单元组成的系统。生物系统是最天然的活性物质——从分子马达、细菌、细胞到鸟群、鱼群，都是活性物质的例子。近年来，人工合成的活性粒子（如自驱动胶体、化学驱动的微马达等）也成为了重要的研究对象。
活性物质与普通物质的根本区别在于，活性物质不满足热力学平衡。在平衡态统计力学中，系统的宏观性质由自由能最小化决定；而在活性物质中，由于能量的持续输入，系统的稳态可以远离平衡态，表现出许多在平衡态中不可能出现的行为。
最著名的例子之一是"活性湍流"（active turbulence）。在活性向列相中，即使没有外界驱动，系统也会自发地产生复杂的、湍流般的流动图案。这种活性湍流与流体力学中的惯性湍流有本质的区别——活性湍流发生在极低的雷诺数下（粘性力远大于惯性力），是由活性应力驱动的，而不是由惯性效应驱动的。
另一个重要现象是"巨数涨落"（giant number fluctuations）。在平衡态系统中，粒子数的涨落与平均粒子数的平方根成正比（中心极限定理）。但在活性系统中，粒子数的涨落可以远远超过这个标准——它们可以与平均粒子数本身成正比。这种巨数涨落是活性物质的一个标志性特征。
在这样的背景下，马天翔团队发现的线向极性混合相，为活性物质物理学增添了一个新的物理态。这不仅仅是"又一个例子"——线向极性相的物理行为可能与已知的活性向列相和活性极性相有本质的不同，因为它涉及到两种序之间的耦合和竞争。
与其他研究的关系
马天翔团队的这篇论文并不是孤立的工作——它与近年来活性物质和生物物理领域的多个重要进展密切相关。
2024年，Guillermo Lorenzana等人在Nature Physics上发表了一篇关于上皮组织中拓扑缺陷的综述文章，系统地总结了拓扑缺陷与细胞行为之间的关系。马天翔团队的工作可以被视为对这篇综述中提出的一个开放问题的回答：上皮组织是否真的只是简单的向列相？
同年，Livio Nicola Carenza等人在Physical Review Letters上发表了一篇理论文章，探讨了活性极性物质中的拓扑缺陷行为。马天翔团队的实验结果与Carenza等人的理论预测在某些方面是一致的，但也存在一些需要进一步调和的差异——特别是在整数缺陷的动力学方面。
此外，Thuan Beng Saw等人在2024年前后的一系列工作中，利用细胞速度场和应力场的分析来研究上皮组织的拓扑性质。马天翔团队引入的形状极性序参量，为这个研究方向提供了一个新的、互补的视角。
写在最后
马天翔团队的这篇论文，是活性物质物理学与细胞生物学交叉领域的一篇扎实的工作。它没有追求轰动性的标题或者过度宏大的叙事，而是通过精心设计的实验和清晰的理论分析，揭示了上皮组织中一个此前被忽视的物理自由度——形状极性。
这种"发现别人没看到的东西"的工作，往往比"用更大规模的实验验证已知结论"的工作更有价值。马天翔团队通过一个简单但优雅的序参量定义，打开了一扇新的窗户，让我们得以重新审视上皮组织——这个在人体中无处不在、看似平凡但实际上蕴含着丰富物理的生物系统。
论文信息：
- 标题：Epithelia Realize Nematopolar Topological Defect Structures
- 作者：Tianxiang Ma, Niels de Graaf Sousa, Valeriia Grudtsyna, Farzan Vafa, Amin Doostmohammadi
- arXiv：2606.19844v1
- 分类：cond-mat.soft, physics.bio-ph
- 发布日期：2026年6月18日
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