游动与附着纤毛虫的最优摄食策略

位于水生食物链底部的纤毛微生物要么游动以遭遇猎物，要么附着在基质上产生摄食水流以捕获经过的颗粒。在此，我们使用一种流行的球形模型来代表附着和游动的纤毛虫，该模型具有滑移表面速度，可提供纤毛流的解析表达式。我们求解了溶解营养物的对流-扩散方程，其中佩克莱数（Péclet number, Pe）反映了扩散时间尺度与对流时间尺度的比率。在固定的流体动力消耗下，我们探究何种纤毛表面速度能最大化微生物表面的营养通量。我们发现，最优摄食的表面运动取决于Pe。对于自由游动的微生物，采用“跑步机”式表面运动进行游动是最优的，但在大Pe极限下，这种跑步机解与保持生物体静止的对称偶极表面速度没有区别。对于附着的微生物，在Pe低于临界值时，跑步机解是摄食的最优解，但在较大的Pe值下，偶极表面运动是最优的。我们通过开环数值模拟、渐近分析和基于伴随的优化方法验证了这些结果。我们的发现挑战了“最优摄食即最优游动”在所有佩克莱特数下均成立的观点，并为海洋微生物中附着和游动两种模式并存的现象提供了新的见解。