微小生物的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)取決于“雷諾數(shù)”

雷諾數(shù)（Reynolds number）一種可用來表征流體流動(dòng)情況的無量綱數(shù)。

游泳快的水生動(dòng)物尺度都較大，且具有流線型輪廓，體表的粘液保證了表面的平滑且粘液溶于水后可減低水的粘性，軀體的和諧動(dòng)作也有助于減低阻力。據(jù)計(jì)算，它們的雷諾數(shù)都很高，多在105.5～107.5之間。

水里的微小生物雷諾數(shù)就很低。因?yàn)樘卣鏖L度如果相差1000倍，雷諾數(shù)也就相差1000倍。雷諾數(shù)低是什么表現(xiàn)？通俗地說，微小生物在水里就如同人在粘稠的泥漿中一樣，簡單張開合攏手臂只是前后晃動(dòng)，無法有效前行。

舉個(gè)例子，扇貝靠張合貝殼來游泳，游泳速度還挺快。它們?cè)谒芯徛龔堥_貝殼之后迅速合攏，產(chǎn)生游動(dòng)所需的沖擊力。如果把10cm的扇貝縮小到10微米，雷諾數(shù)也就降低了1000倍。在如此之低的雷諾數(shù)環(huán)境下還可以游動(dòng)嗎？不能了。因?yàn)榈屠字Z數(shù)下張開貝殼會(huì)前進(jìn)，但閉攏貝殼又會(huì)讓它回到原位，即使張開閉合的速度不同也無濟(jì)于事。這看似簡單的結(jié)論就是著名的“扇貝定理”，低雷諾數(shù)下運(yùn)動(dòng)具有可逆性，貝殼張開和閉合的形變過程時(shí)間上是對(duì)稱的。

微小生物與大尺度生物的運(yùn)動(dòng)最大不同處就是時(shí)間的可逆性。要想在低雷諾數(shù)環(huán)境下游動(dòng)，微小生物必須打破形變?cè)跁r(shí)間上的對(duì)稱性。

看看水中微小生物是怎么游泳的。最常見的“大腸桿菌”像旋轉(zhuǎn)螺釘一樣旋轉(zhuǎn)鞭毛游動(dòng)；“纖毛蟲”通過纖毛規(guī)律地?cái)[動(dòng)游動(dòng)；“微藻”擺動(dòng)鞭毛近似于蛙泳的姿勢游動(dòng)；“水蚤”則借觸角上的剛毛撥動(dòng)水流游動(dòng)；不一樣的構(gòu)造泳姿也千差萬別，非常神奇！

物理尺度不同，慣性力和粘滯力比值也就不同，雷諾數(shù)不同，同樣是在水中游動(dòng)，行為方式也就大不相同。物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)獲得者愛德華·珀塞爾的“在低雷諾數(shù)環(huán)境下的生命”對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)的描述。