游泳细菌产生的流体驱动受限悬浮液中的自组织

已知浓缩的游动微生物悬浮液和其他活性物质在远大于单个运动单元的尺度上展现出复杂的、自组织的时空模式。尽管进行了大量的实验和理论研究，但游泳细胞产生的流体动力学流动（而非纯粹的位阻相互作用）在多大程度上驱动了自组织仍不清楚。这里我们利用最近发现的在受限悬浮液中枯草芽孢杆菌的螺旋涡旋态来详细研究这个问题。那些实验表明，如果薄圆柱腔室中的受限半径低于临界值，悬浮液将自发形成稳定的单涡旋态，周围环绕着反向旋转的细胞边界层，涡旋内细胞呈螺旋取向。然而，螺旋涡旋内的鞭毛取向（因此细胞游动方向）仍不清楚。这里，我们使用一种快速模拟方法，在离散粒子系统的简化模型中捕捉定向的细胞-细胞和细胞-流体相互作用，预测了一个引人注目且反直觉的结果：在集体产生的流体运动存在下，螺旋涡旋内的细胞实际上逆流而上。这随后由这里报告的新实验证实，包括在自组织状态下测量鞭毛束取向和细胞追踪。这些结果突出了微生物浓缩悬浮液中细胞取向与流体动力学流动之间的复杂相互作用。