受限海洋无脊椎动物幼虫中的普适水动力学转变

海洋中栖息着大量毫米尺度的无脊椎动物浮游幼虫,它们生活在黏性流体环境中。其中许多依靠纤毛的摆动产生流体流动以实现运动与摄食。其幼虫形态、局部结构以及纤毛分布模式呈现出显著的多样性,产生了复杂而动态的三维流动,这些流动在实验室条件下极难表征。传统的显微成像技术通常将柔软的幼虫轻柔地挤压夹在载玻片与盖玻片之间,以在准二维条件下研究其流动。然而,关于准二维受限条件下低至中等雷诺数(<1)流动的全面水动力学框架,尤其是考虑到其复杂形态,至今仍付之阙如。本文中,我们证明幼虫周围的涡量随受限程度的增加而增殖,并揭示了其背后的物理机制。我们对海星与海胆幼虫中由受限诱导的流动进行了实验量化。这些流动呈现出惊人的普适模式:在弱受限条件下,所有幼虫均产生两个涡旋;而在强受限条件下,所产生的涡旋数量显著增加。实验观测结果被一个基于受限 Stokeslet 叠加的低雷诺数理论模型很好地刻画。基于实验与理论,我们构建了一个关于受限诱导流动的完整框架,该框架表明涡量动力学主要由局部形态特征决定,而不仅仅取决于整体体型。本工作为幼虫形态与流动生成之间的形态—功能关系提供了基础性见解。我们的发现可广泛适用于理解从微米到毫米尺度、具有复杂形态与结构的多种纤毛生物所产生的流动。