非运动细菌悬浮液中的蒸发驱动对流

我们报道了发光海洋细菌 $Photobacterium~phosphoreum$ 悬浮液中的一种新型对流形式。将这些细菌悬浮液置于开放于空气的腔室中，会产生持久的发光羽流，在黑暗中观察最易看见。这些流动与好氧趋性游动细菌的经典生物对流图案惊人地相似，后者通过向上游动到水-空气界面产生不稳定分层，但这令人困惑，因为所用的 $P.~phosphoreum$ 菌株不表达鞭毛因而不能游动。对微球悬浮液进行的系统实验表明，这些流动模式并非由细菌驱动，而是由培养介质蒸发导致盐在水-空气界面积累所致；即使在室温和湿度下，以及生理相关的盐浓度下，水分蒸发速率也足以驱动对流图案。我们建立了数学模型以理解羽流形成机制，并进行了线性稳定性分析和数值模拟以支持结论。尽管蒸发驱动对流在生物系统背景下未被广泛讨论，这些结果表明该现象可能与其他系统相关，特别是那些使用运动能力有限微生物的系统。