作者:韩扬眉 来源:中国科学报 发布时间:2024/5/29 20:16:14
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在水中,不是腿越多游得越快
研究揭示微观水藻的鞭毛根数对游泳表现的影响

 

近日,中国科学院理论物理研究所研究员孟凡龙课题组,通过类比多鞭毛藻类构建了多鞭毛驱动的游泳体模型,基于非局域细长体理论的数值计算和渐进分析,研究了多鞭毛游泳体的游泳表现,包括游泳速度和效率等。相关研究发表于《物理评论快报》。

“活性物质”是利用非机械形式的能量实现自驱动(细菌等)或者对外做功(纤毛等)的物理系统的统称。在活性物质研究中,对于多鞭毛微生物运动行为的研究和设计是非常有趣的课题。

多鞭毛微生物主要分为原核生物(例如大肠杆菌)和真核生物(例如单细胞藻类)两大类,它们通常具有不同数量的鞭毛。目前对原核生物中鞭毛在游泳中起到的作用已经有了较丰富的研究,但是真核生物中鞭毛设置(例如鞭毛的数量和位置等)对游泳体运动行为的影响仍不明确。

研究表明,在同步摆动步态中,当固有倾角较小时,鞭毛之间的流体相互作用对游泳起促进效果,同时游泳速度随鞭毛根数的增加而增大。然而,当固有倾角足够大时,相互作用对游泳起到抑制效果,同时游泳速度随着鞭毛根数的增大而降低。这是由于在小倾角下,扰动流场的方向和鞭毛运动方向相反,会增大鞭毛的弯曲程度从而增加推进力;但在大倾角下扰动流场的方向和鞭毛运动方向相同,所以减小推进力。 

当鞭毛异步摆动时,鞭毛在边界处的机械耦合效应可以显著降低运动的振荡幅度,类似于惠更斯耦合双摆。研究者发现,机械耦合效应在大倾角下起会主导作用,通过增加相位差可以增加游泳速度。但在小倾角下,鞭毛之间的流体相互作用起主导,增加相位差会降低游泳速度。

研究者最后研究了细胞体对游泳行为的影响。当鞭毛位于细胞体后端时,具备大固有倾角的游泳体存在最优鞭毛根数以实现最大游泳速度。当鞭毛位于细胞体前端时——类似自然界中的微藻类细胞,游泳体的游泳速度会随着鞭毛根数单调增加;这是由于细胞体表面曲率会扭曲扰动流场的流线,使其与鞭毛运动方向相反。

这项研究工作不仅能够帮助揭示多鞭毛藻类的游泳机理,还为实验室设计制造新型微机器人提供了新思路。

相关论文信息:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.204002

 
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