集胞藻作为“歌唱”细菌：微工程声流装置启发的生物学

某些蓝细菌，例如开阔大洋的集胞藻菌株，能够在没有鞭毛或可见形状变化的情况下，以高达每秒25倍体长的速度游动。集胞藻产生自推进推力的机制尚不清楚。唯一未被排除的机制是利用表面变形的切向波。在Ehlers等人的研究中，使用Taylor和Lighthill在1950年代开创、并由Shapere和Wilczek在1989年以微分几何语言重新阐述的方法，估算了该机制下的平均游动速度。本文提出了一种完全不同的自推进物理原理——基于声流（AS）。自1990年代以来，工程师们已在硅芯片中构建了基于声流的微泵，但据我们所知，声流作为微生物运动方式此前尚未被提出。我们的假设得到了两项近期发现的支持：(1) 在Samuel等人的研究中，对运动菌株WH8113的深冻电子显微镜揭示了一个结晶外层（CS），其上覆盖着一层从内膜延伸穿过CS、向周围液体中突出150纳米的“针状体”（Sp）森林。(2) 在Pelling等人的研究中，利用原子力显微镜（AFM）发现酵母细胞的细胞壁以0.8至1.6 kHz的频率在纳米尺度振幅上周期性振荡，且这些振荡由代谢产生。我们提出，与细胞动力系统接触的针状体可能执行高频运动，在周围液体中产生声流（AS）。我们比较了两种利用声流实现自推进的模型：石英风效应（QW）和由表面声波（SAW）产生的边界诱导声流。