利用实验标定的正则化Stokeslet方法评估表面附近细菌鞭毛运动能力
生物物理
2021-09-21 v1 软凝聚态物质
计算物理
流体动力学
摘要
附近边界的存在可能对游动鞭毛细菌的生命周期与演化十分重要。这促使许多研究者采用数值模拟来建模近表面细菌运动并计算流体动力学边界效应。正则化Stokeslet的镜像法（MIRS）是常用选择；然而，该方法所需的离散化尺寸与正则化参数并无任何理论给出。为确定MIRS中给定离散化选择的合适正则化参数，我们进行了动力学相似的宏观实验并将模拟拟合到数据。实验中，我们测量了不同波长的圆柱与螺旋在黏性流体中于距边界不同距离旋转时的扭矩。我们发现，当对圆柱采用表面离散化、对螺旋采用中心线离散化时，实验与优化模拟之间的差异小于5%。在确定最优正则化参数后，我们使用MIRS模拟了一个由圆柱菌体与螺旋鞭毛构成、在近边界运动的理想化自由游动细菌。我们通过计算游动速度、马达转速、Purcell推进效率、单位距离能量消耗，以及新定义的代谢能量消耗（即单位菌体质量单位距离的能量消耗）来评估多种细菌形态的运动表现。五种度量均独立预测出相同的最优鞭毛波长，且与菌体大小和表面接近程度无关。尽管各度量在最优菌体大小上不一致，但它们均预测菌体大小是细菌在近表面及远离表面运动中能量消耗的重要因素。
引用
@article{arxiv.2109.08964,
title = {Using Experimentally Calibrated Regularized Stokeslets to Assess Bacterial Flagellar Motility Near a Surface},
author = {Orrin Shindell and Hoa Nguyen and Nicholas Coltharp and Frank Healy and Bruce Rodenborn},
journal= {arXiv preprint arXiv:2109.08964},
year = {2021}
}