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微小生物的运动姿态取决于“雷诺数”
雷诺数(Reynolds number)一种可用来表征流体流动情况的无量纲数。
游泳快的水生动物尺度都较大,且具有流线型轮廓,体表的粘液保证了表面的平滑且粘液溶于水后可减低水的粘性,躯体的和谐动作也有助于减低阻力。据计算,它们的雷诺数都很高,多在105.5~107.5之间。
水里的微小生物雷诺数就很低。因为特征长度如果相差1000倍,雷诺数也就相差1000倍。雷诺数低是什么表现?通俗地说,微小生物在水里就如同人在粘稠的泥浆中一样,简单张开合拢手臂只是前后晃动,无法有效前行。
举个例子,扇贝靠张合贝壳来游泳,游泳速度还挺快。它们在水中缓慢张开贝壳之后迅速合拢,产生游动所需的冲击力。如果把10cm的扇贝缩小到10微米,雷诺数也就降低了1000倍。在如此之低的雷诺数环境下还可以游动吗?不能了。因为低雷诺数下张开贝壳会前进,但闭拢贝壳又会让它回到原位,即使张开闭合的速度不同也无济于事。这看似简单的结论就是著名的“扇贝定理”,低雷诺数下运动具有可逆性,贝壳张开和闭合的形变过程时间上是对称的。
微小生物与大尺度生物的运动最大不同处就是时间的可逆性。要想在低雷诺数环境下游动,微小生物必须打破形变在时间上的对称性。
看看水中微小生物是怎么游泳的。最常见的“大肠杆菌”像旋转螺钉一样旋转鞭毛游动;“纤毛虫”通过纤毛规律地摆动游动;“微藻”摆动鞭毛近似于蛙泳的姿势游动;“水蚤”则借触角上的刚毛拨动水流游动;不一样的构造泳姿也千差万别,非常神奇!
物理尺度不同,惯性力和粘滞力比值也就不同,雷诺数不同,同样是在水中游动,行为方式也就大不相同。物理学诺贝尔奖获得者爱德华·珀塞尔的“在低雷诺数环境下的生命”对此进行了详细的描述。
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