为什么蜉蝣在生长过程中会改变其鳃的运动学？

蜉蝣若虫通过振荡排列的翼状气管鳃在水下呼吸。随着若虫的生长，这些鳃的运动学会突然从划水转变为拍动。将蜉蝣若虫视为泵送装置的经典流体动力学方法未能给出这种转换的明确原因。为了理解这两种不同运动学之间转换的原因和机制，我们从拉格朗日视角分析了该问题。我们认为，良好的拉格朗日输运，即在鳃之间和周围有效分布和扩散水及溶解氧，是鳃运动的主要目标。利用这种拉格朗日方法，我们能够解释蜉蝣若虫在生长过程中经历的从划水到拍动的转换原因。更具体地说，我们将来自该拉格朗日方法的最新且强大的工具应用于硅基蜉蝣若虫实验，其中身体形状以及鳃的形状、结构和运动学均与体内实验相匹配。在本通讯中，我们定性和定量地展示了运动学的变化如何实现对富含溶解氧的水在鳃区域更好的吸引、搅拌和约束。从计算速度场中，我们揭示了输运的吸引势垒，即吸引拉格朗日相干结构，它们构成了鳃之间和周围的输运骨架。此外，我们量化了流体粒子以及随之而来的溶解氧在鳃区域内的扩散和搅拌程度。