涡旋反转是受限细菌湍流的前兆

活性湍流，即混沌的自组织集体运动，常在运动细菌的浓缩悬浮液以及其他自驱动相互作用主体系统中观察到。迄今为止，对于几何约束如何协调活性湍流并改变其物理性质，尚无基本理解。在这里，通过结合大规模实验、计算机建模和分析理论，我们发现了在半径变化的圆柱形孔中细菌悬浮液中发生的一系列通用转变。随着孔半径的增加，我们观察到持续的涡旋运动让位于周期性的涡旋反转、四涡旋脉动，然后是充分发展的活性湍流。利用计算建模和分析理论，我们证明了涡旋反转是由前三个方位角模式（随着半径增加而变得不稳定）的非线性相互作用引起的。分析结果解释了我们关键的实验发现。为了进一步验证我们的方法，我们从实验数据中重建了运动方程。我们的发现揭示了受限细菌活性物质的普适性质，并可应用于各种生物和合成活性系统。