神奇啊!发现四处移动的活有机体,与地球的引力场排成一条直线!

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神奇啊!发现四处移动的活有机体,与地球的引力场排成一条直线!

从眩目的畸变到自湍流流体,“主动系统”包含了一大类现象,在这些现象中,单个物体推动自己前进,使它们能够显示出有趣的集体行为。在微观尺度上,它们被发现在一群通过蠕动而四处移动的活有机体中,由于它们底部沉重的质量分布,它们与地球的引力场排成一条直线。柏林工业大学Felix Rühle和Holger Stark发表在《欧洲物理杂志》期刊上的研究发现:

根据它们的性质,这些物体共同在两种状态中度过了大部分时间,在这两种状态之间可能会出现一些有趣的行为。可以帮助解释某些微生物群体的神秘特性,包括有时在沿海地区发现的浮游植物薄膜,以及形成“跳舞”丛生的藻类。研究发现,这些集体行为是由自我推进的物体在重力作用下向上游的能力以及它们底部重量程度决定。对于较低的数值,游泳者群体会像不活跃的尘埃颗粒一样下沉到容器的底部。

但数值较高的会聚集在容器顶部,在这些状态之间,较小的游泳者群聚集在底部,由下沉的粒子羽状物提供食物。此外,可以形成多孔的游泳者集群,使单个粒子得以逃逸。Rühle和Stark通过对流体中约900个底部蠕动物体进行计算机模拟,得出了他们的发现。通过先进技术,研究人员能够解释游泳者之间的任何相互作用,以及流体本身的性质。其研究结果现在为研究受重力影响的活性系统特性提供了令人着迷的新见解。

并可能帮助生物学家更好地理解某些微生物在自然生态系统中的作用。用多粒子碰撞动力学方法对在低雷诺数重力作用下蠕动的微泳者系统进行水动力模拟。此外,蠕动的底部很重,所以它们会感受到一个扭矩,使它们沿着垂直方向对齐。蠕动装置通过分别由作用力和扭矩以及各自流场启动的小托架和小托盘的流场进行流体动力相互作用。通过改变游动与整体沉降速度之比和扭矩,研究确定了中性蠕动和强力推拉器集体动力学的状态图。

对于较低的游速和扭矩,观察到常规的沉降,而随着它们值的增加,沉降剖面变得反转。对于中性蠕动,在两种沉降状态之间发现了循环蠕动的对流卷,它们位于系统的底部,由集体下沉蠕动形成的羽流供给。在较大的扭矩下,会出现多孔团簇,从而产生单一的蠕动。后两种状态也可以从均匀的蠕动分布开始瞬间出现,然后在长时间内消失,对于强推进器和强拉动器,只观察到弱羽流的形成。

博科园|研究/来自:Springer

研究发表期刊《欧洲物理杂志》

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