Unoszący się owad tworzy kroplę moczu, po czym wypluwa ją z dużą prędkością. Źródło: Georgia Institute of Technology
Maleńkie owady zwane snajperami wydalają się, wypluwając krople moczu z niewiarygodnym przyspieszeniem. Ich wydzielanie jest pierwszym przykładem superstymulacji odkrytej w układzie biologicznym.
Saad spacerował po swoim podwórku, kiedy zauważył coś, czego nigdy wcześniej nie widział: oddającego mocz robaka. Chociaż było to prawie niemożliwe do zobaczenia, owad uformował na ogonie prawie idealnie okrągłą kroplę, a następnie wystrzelił ją z taką prędkością, że zdawała się znikać. Mały robak pocieszał się w kółko przez wiele godzin.
Ogólnie przyjmuje się, że trzeba pokazać, co się dzieje, więc jeśli chodzi o dynamikę płynów u zwierząt, badania koncentrują się głównie na odżywianiu, a nie na wydalaniu. Ale Bhamla, adiunkt w Szkole Inżynierii Chemicznej i Biomolekularnej w Georgia Tech, miał przeczucie, że to, co zobaczył, nie było bez znaczenia.
„Niewiele wiadomo o płynnej dynamice wydzielania, pomimo jej wpływu na morfologię, energię i zachowanie zwierząt” – powiedział Bhamla. „Chcieliśmy zobaczyć, czy ten mały owad wprowadził jakieś sprytne innowacje inżynieryjne lub fizyczne, aby oddawać mocz w ten sposób”.
Dwóch snajperów na roślinie oddającej mocz kroplami (pełna prędkość). Źródło: Georgia Institute of Technology
Bhamla i Elio Challita, doktorant bioinżynierii, badali, w jaki sposób i dlaczego kanibale ze szklanymi skrzydłami – małe szkodniki znane z rozprzestrzeniania chorób na uprawach – wydalają się w taki sposób, w jaki to robią. Korzystając z obliczeniowej dynamiki płynów i eksperymentów biofizycznych, naukowcy zbadali zasady wydzielania płynów, energii i biomechanicznych, ujawniając, w jaki sposób owad mniejszy niż czubek małego palca może dokonać przełomu w fizyce i bioinżynierii – supernapędu. Ich badania zostały opublikowane w czasopiśmie 28 lutego 2023 r
Small but Mighty: Observing Insect Excretion
The researchers used high-speed videos and microscopy to observe precisely what was happening on the insect’s tail end. They first identified the role played by a very important biophysical tool called an anal stylus, or, as Bhamla termed, a “butt flicker.”
A sharpshooter insect uses its anal stylus to catapult a urine droplet at high acceleration (slow motion). Credit: Georgia Institute of Technology
Challita and Bhamla observed that when the sharpshooter is ready to urinate, the anal stylus rotates from a neutral position backward to make room as the insect squeezes out the liquid. A droplet forms and grows gradually as the stylus remains at the same angle. When the droplet approaches its optimal diameter, the stylus rotates farther back about 15 degrees, and then, like the flippers on a pinball machine, launches the droplet at incredible speed. The stylus can accelerate more than 40Gs – 10 times higher than the fastest sportscars.
“We realized that this insect had effectively evolved a spring and lever like a catapult and that it could use those tools to hurl droplets of pee repeatedly at high accelerations,” Challita said.
Then, the researchers measured the speed of the anal stylus movement and compared them to the speed of the droplets. They made a puzzling observation: the speed of the droplets in air was faster than the anal stylus that flicked them. They expected the droplets to move at the same speed as the anal stylus, but the droplets launched at speeds 1.4 times faster than the stylus itself. The ratio of speed suggested the presence of superpropulsion – a principle previously shown only in synthetic systems in which an elastic projectile receives an energy boost when its launch timing matches the projectile timing, like a diver timing their jump off a springboard.
Po dalszych obserwacjach odkryli, że pióro ściska kropelki, magazynując energię z powodu napięcia powierzchniowego tuż przed uwolnieniem. Aby to sprawdzić, naukowcy umieścili kropelki wody na głośniku, wykorzystując wibracje do ich kompresji przy dużych prędkościach. Odkryli, że kiedy uwalniane są maleńkie kropelki wody, gromadzą one energię dzięki naturalnemu napięciu powierzchniowemu. A jeśli czas jest odpowiedni, kropelki mogą zostać wystrzelone z bardzo dużą prędkością.
Ale pytanie, dlaczego snajperzy oddają mocz w kroplach, pozostało bez odpowiedzi. Dieta nie zawiera prawie żadnych kalorii, z wyjątkiem ksylemu – ubogiej w składniki odżywcze cieczy, która zawiera tylko wodę i niewiele składników mineralnych. Piją do 300 razy więcej tkanki ksylemu niż ich masa ciała dziennie i dlatego muszą pić stale i wydajnie wydalać ścieki, które składają się w 99% z wody. Z drugiej strony, różne owady również żywią się wyłącznie sokiem z ksylemu, ale mogą wydalać silne strumienie.
Zespół wysłał próbki snajperskie do specjalistycznego laboratorium. Tomografia mikrokomputerowa umożliwiła Bhamli i Challicie zbadanie morfologii konopi i wykonanie pomiarów wnętrza owadów. Wykorzystali te informacje do obliczenia ciśnienia wymaganego dla kanibala do przepchnięcia płynu przez bardzo mały kanał odbytu oraz do określenia ilości energii potrzebnej do oddania moczu.
Ich badania ujawniają, że wyrzucanie kropel z supernapędem służy strzelcom jako strategia oszczędzania energii w cyklu karmienia i wydalania. Kanibale stoją przed poważnymi wyzwaniami związanymi z dynamiką płynów ze względu na ich niewielkie rozmiary i ograniczenia energetyczne, a zwilżanie kropelek jest dla nich najbardziej wydajną energetycznie metodą wydalania.
Snajper na bazylii. Źródło: Georgia Institute of Technology
Obiecujące zastosowania superpropelentów owadów
Badanie sposobu, w jaki snajperzy używają hiperpchnięcia, może również zapewnić wgląd w projektowanie systemów, które przezwyciężą przywieranie i lepkość przy mniejszym zużyciu energii. Jednym z przykładów są urządzenia elektroniczne o niskim poborze mocy, wyrzucające wodę, takie jak smartwatch, który wykorzystuje wibracje głośników do odpychania wody z urządzenia.
„Przedmiot tego badania może wydawać się kapryśny i mistyczny, ale dzięki takim badaniom uzyskujemy wgląd w procesy fizyczne na skalę wielkości wykraczającą poza zakres naszego normalnego ludzkiego doświadczenia” – powiedziała Miriam Ashley Ross, dyrektor programów w Dyrekcji ds. Biologia. Science w US National Science Foundation, która częściowo sfinansowała prace. „To, z czym mają do czynienia snajperzy, będzie przypominało próbę zdobycia kulki syropu klonowego wielkości piłki plażowej, która utknęła w naszych rękach. Skuteczny sposób, w jaki te małe owady rozwinęły się w celu rozwiązania problemu, może prowadzić do inspirowanych biologią rozwiązań do usuwania rozpuszczalników” w małych zastosowaniach produkcyjnych, takich jak elektronika lub utylizacja, szybko usuwa wodę z powierzchni o złożonej strukturze”.
Sam fakt, że owady sikają, sam w sobie jest przekonujący, głównie dlatego, że ludzie nie zwracają na to uwagi. Ale stosując soczewkę fizyki do codziennych procesów mikrobiologicznych, praca naukowców ujawnia nowe wymiary doceniania małych zachowań wykraczających poza to, co widać na pierwszy rzut oka.
„Ta praca potwierdza ideę, że nauka oparta na ciekawości jest cenna” – powiedziała Shallita. „A fakt, że odkryliśmy coś tak intrygującego – hiperbolizację kropelek w systemie biologicznym i heroiczne wyczyny fizyki, które mają zastosowanie w innych dziedzinach – czyni to jeszcze bardziej fascynującym”.
Odniesienie: „Superdroplet Propulsion in a Tightly Constrained Insect” autorstwa Elio J. Shalita, Prateek Segal, Rodrigo Krugner i Saad Bhamla, 28 lutego 2023 r., dostępne tutaj. Komunikacja natury.
DOI: 10.1038/s41467-023-36376-5