Tompa rovarok gyors vizeletürítése „fenékvillanással”

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.

További megfigyelések során azt találták, hogy a toll összenyomja a cseppeket, és a felületi feszültség miatt energiát tárol közvetlenül a kiengedés előtt. Ennek tesztelésére a kutatók vízcseppeket helyeztek egy hangszóróra, és rezgések segítségével nagy sebességgel összenyomták őket. Felfedezték, hogy amikor apró vízcseppek szabadulnak fel, energiát tárolnak a benne rejlő felületi feszültség miatt. És ha éppen megfelelő az idő, a cseppek rendkívül nagy sebességgel indulhatnak el.

De megválaszolatlan maradt a kérdés, hogy a mesterlövészek miért vizelnek cseppenként. A diéta szinte semmilyen kalóriát nem tartalmaz, kivéve a xylemet – egy tápanyagban szegény folyadékot, amely csak vizet és kevés ásványi anyagot tartalmaz. Naponta testtömegük 300-szorosát isznak xilém szövetben, ezért folyamatosan és hatékonyan kell inniuk a szennyvizüket, amely 99%-ban víz. Másrészt a különféle rovarok is kizárólag xilém nedvvel táplálkoznak, de erős sugárban is ki tudnak ürülni.

A csapat mesterlövészek mintákat küldött egy speciális laboratóriumba. A mikroszámítógépes tomográfia lehetővé tette Bhamlának és Challitának, hogy tanulmányozzák a kannabisz morfológiáját, és méréseket végezzenek a rovarok belsejéből. Az információ alapján kiszámították, hogy a kannibál mekkora nyomásra van szüksége ahhoz, hogy a folyadékot a nagyon kicsi anális csatornáján keresztül nyomja, és meghatározzák a vizeletürítéshez szükséges energia mennyiségét.

Kutatásaik feltárják, hogy a szuperhajtású cseppkidobás stratégiaként szolgál a lövészek számára az energiatakarékosság érdekében a táplálkozási-kiválasztási ciklusban. A kannibáloknak jelentős folyadékdinamikai kihívásokkal kell szembenézniük kis méretük és energiakorlátaik miatt, és a cseppek nedvesítése a legenergiahatékonyabb kiválasztási módszer.

Sniper a bazsalikom növény. Köszönet: Georgia Institute of Technology

A rovarok szuperhajtóanyagainak ígéretes alkalmazásai

Annak tanulmányozása, hogy a mesterlövészek hogyan használják a túlnyomást, betekintést nyújthat abba is, hogyan lehet olyan rendszereket tervezni, amelyek kevesebb energia felhasználásával küzdik le a ragadást és a viszkozitást. Ilyen például az alacsony fogyasztású, vízkibocsátó hordható elektronikai eszközök, például az okosóra, amely a hangszórók rezgését használja fel arra, hogy taszítsa a vizet az eszközből.

„A tanulmány témája szeszélyesnek és misztikusnak tűnhet, de az ehhez hasonló vizsgálatok révén olyan nagyságrendű betekintést nyerünk a fizikai folyamatokba, amelyek túlmutatnak a szokásos emberi tapasztalataink tartományán” – mondta Miriam Ashley Ross, az Igazgatóság programjainak igazgatója. Biológia. Tudomány az Egyesült Államok Nemzeti Tudományos Alapítványánál, amely részben finanszírozta a munkát. „Amivel a mesterlövészek foglalkoznak, az olyan lesz, mintha egy strandlabda méretű juharszirupgolyót próbálnánk megszerezni, amely a kezünkben ragadt. Az, hogy ezek az apró rovarok hatékonyan megoldják a problémát, biológiai ihletésű megoldásokhoz vezethet az oldószer eltávolítására. kis gyártási alkalmazásokban, mint például az elektronika vagy az ártalmatlanítás A víz gyorsan eltávolítja a szerkezetileg összetett felületeket.”

Az a tény, hogy a rovarok pisilnek, önmagában is lenyűgöző, főleg azért, mert az emberek nem gondolnak rá sokat. Ám azáltal, hogy a fizika lencséjét alkalmazzák egy mindennapi mikrobiológiai folyamatra, a kutatók munkája új dimenziókat tár fel a kis viselkedések megbecsülésében, túlmutatva a szemmel.

„Ez a munka megerősíti azt az elképzelést, hogy a kíváncsiság által vezérelt tudomány értékes” – mondta Shallita. „És az a tény, hogy felfedeztünk valami nagyon érdekeset – a cseppek hiperbolizálását egy biológiai rendszerben és a fizika hősies bravúrjait, amelyek más területeken is alkalmazhatók –, még lenyűgözőbbé teszi a dolgot.”

Hivatkozás: „Szupercsepp-hajtás szorosan korlátozott rovarban”, Elio J. Shalita, Prateek Segal, Rodrigo Krugner és Saad Bhamla, 2023. február 28., elérhető itt. Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-023-36376-5