主动相空间拓扑统一了细菌流中的耗散与对齐
流体动力学
2026-05-29 v1 生物物理
摘要
在平衡框架下，小尺度传输被经典的平衡理论所理解，其中扩散理论成功描述了被动粒子在连续介质极限下的剪切增强扩散。然而，由于大多数细菌能够自主运动，其在流中的运动本质上超出热平衡，挑战了这一框架。目前缺乏对细菌在低雷诺数流中的统一、可预测理论。本文从首因出发，发展一种解析流体力学模型，强制执行一致的无通量边界条件，并使用镜像法刻画流-壁耦合。该模型定量复现了测量得到的细菌分布，并揭示了伴随均匀漂移不变性——即Taylor 扩散的主动对应物——的水动力锁定机制。我们阐明，剪切诱导的耗散与对齐是单一主动相空间拓扑的两种对偶表现，排除了仅基于局部剪切幅度的解释。该理论通过微流控实验得到验证，实验涵盖多个细菌种类和多种剪切几何，从一维到完全三维流动。我们的发现为细菌流体力学建立了统一的相空间框架，推动了活性物质的基本理解。
引用
@article{arxiv.2605.29333,
title = {Active phase-space topology unifies depletion and alignment in bacterial flows},
author = {Mingyang Guan and Bowen Ling and Enhao Liu and Guoqian Chen and Zhan Wang},
journal= {arXiv preprint arXiv:2605.29333},
year = {2026}
}