具有介观有序的稠密细菌活性流体中的流向解耦与普适迁移率增强

由活细胞或合成微泳者组成的活性流体表现出丰富的涌现行为和非平衡力学性质，这不仅揭示了各种生物过程，也为自主流体力学和自驱动材料的工程化提供了信息。微泳者的个体行为及其与自产生的介观尺度溶剂流的相互作用是活性流体涌现性质的基础。在此，我们通过同时成像细胞体、鞭毛和流场，研究了稠密三维细菌活性流体中的微观动力学。一个令人惊讶的发现是，在介观流动区域中，细胞的极性是随机分布的，但系统在自产生的溶剂流中表现出介观有序。尽管存在明显的流向-极性解耦，细胞相对于局部溶剂流的运动主要向上游导航，自平流速度被流动控制的常数普遍增强。具有完整流体动力学相互作用的数值模拟揭示，观察到的流向-极性解耦源于对各向异性微泳者通常持有的力偶极假设的破坏：在存在流动梯度和近场流体动力学相互作用的情况下，游泳细菌对周围流体施加的总主动力的方向不再与其极性对齐。模拟表明，近场相互作用作为一种新型的、依赖于构型的主动力出现，深刻影响稠密细菌悬浮液中的自组织和输运。总之，我们的工作为忠实理解稠密极性活性流体的集体行为建立了基础知识。