Owad strzelca wyborowego wytwarza kroplę moczu, zanim wywoła duże przyspieszenie. Źródło: Georgia Institute of Technology
Maleńkie owady zwane strzelcami wyborowymi katapultują krople moczu z niewiarygodnymi przyspieszeniami. Ich wyrzucanie jest pierwszym przykładem supernapędu odkrytego w układzie biologicznym.
Kiedy Saad Pamla był na swoim podwórku, zauważył coś, czego nigdy wcześniej nie widział: sikającego owada. Choć prawie niewidoczny, owad uformował na ogonie idealnie okrągłą kroplę, po czym rzucił nią tak szybko, że zdawała się znikać. Mały robak uwalniał się w kółko przez wiele godzin.
Ogólnie przyjmuje się za pewnik, że to, co wchodzi, musi wyjść, więc jeśli chodzi o dynamikę płynów u zwierząt, badania często koncentrują się raczej na karmieniu niż na wydalaniu. Ale Bamla, adiunkt w Szkole Inżynierii Chemicznej i Biomolekularnej w Georgia Institute of Technology (Georgia Tech), pomyślał, że to, co zobaczył, nie było trywialne.
„Pomimo wpływu na morfologię, energetykę i zachowanie zwierząt, niewiele wiadomo na temat dynamiki płynów wysięku” – powiedział Bamla. „Chcieliśmy zobaczyć, czy ten mały owad wymyślił jakieś sprytne wynalazki inżynieryjne lub fizyczne, aby oddawać mocz w ten sposób”.
Dwóch strzelców wyborowych na roślinie, sikających kroplami (pełna prędkość). Źródło: Georgia Institute of Technology
Bamla i Elio Sallida, doktorant bioinżynierii, badali, w jaki sposób i dlaczego strzelcy wyborowi o szklistych skrzydłach – maleńkie owady znane z rozprzestrzeniania chorób na uprawach – wydostają się w taki sposób, w jaki to robią. Wykorzystując obliczeniową dynamikę płynów i eksperymenty biofizyczne, naukowcy zbadali płynne, energetyczne i biomechaniczne zasady napędu, ujawniając, w jaki sposób owad mniejszy niż czubek małego palca realizuje fizykę i bioinżynierię supernapędu. Ich badania zostały opublikowane 28 lutego 2023 r. w czasopiśmie
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 wody i magazynuje energię dzięki napięciu powierzchniowemu tuż przed startem. Aby to przetestować, naukowcy umieścili krople wody w głośniku audio i użyli wibracji, aby popchnąć je z dużą prędkością. W małych skalach odkryli, że kiedy krople wody są wystrzeliwane, magazynują energię dzięki naturalnemu napięciu powierzchniowemu. Jeśli czas zostanie ustawiony prawidłowo, kropelki zostaną wystrzelone z bardzo dużą prędkością.
Ale pytanie, dlaczego strzelcy wyborowi oddają mocz do kropelek wody, pozostaje bez odpowiedzi. Prawie zerokaloryczna dieta Sharpshootera zawiera tylko ekstrakt z ksylemu roślinnego – ubogą w składniki odżywcze ciecz zawierającą tylko wodę i śladowe minerały. Dziennie piją do 300 razy więcej soku z ksylemu niż ich masa ciała, więc muszą stale pić i skutecznie wydalać płynne odpady, które składają się w 99% z wody. Z drugiej strony różne owady żywią się wyłącznie sokiem z ksylemu, ale mogą go wydalać potężnymi strumieniami.
Zespół wysłał próbki Sharpshootera do specjalistycznego laboratorium. Mikrotomografia komputerowa umożliwiła Pamli i Sallitha zbadanie morfologii strzelca wyborowego i dokonanie pomiarów wnętrza owadów. Wykorzystali te informacje do określenia, ile energii potrzebuje strzelec wyborowy do oddania moczu, aby przepchnąć płyn przez bardzo mały kanał odbytu, aby obliczyć ciśnienie wymagane dla strzelca wyborowego.
Ich badania ujawniają, że supernapędowy wyrzut kropel służy jako strategia oszczędzania energii w cyklu podawania-wyrzucania dla strzelców wyborowych. Strzelcy wyborowi stoją przed poważnymi wyzwaniami związanymi z dynamiką płynów ze względu na ich niewielkie rozmiary i ograniczenia energetyczne, a oddawanie moczu w kropelkach jest dla nich energooszczędnym sposobem wydalania.
Strzelcy wyborowi na roślinie bazylii. Źródło: Georgia Institute of Technology
Obiecujące zastosowania supernapędu owadów
Badanie, w jaki sposób strzelcy wyborowi używają supernapędu, zapewnia wgląd w to, jak projektować systemy, które przezwyciężają przyczepność i lepkość przy niskiej energii. Przykładem jest wodoodporna elektronika do noszenia o niskim poborze mocy, taka jak inteligentny zegarek, który wykorzystuje wibracje głośnika do odpychania wody z urządzenia.
„Przedmiot tych badań może wydawać się dziwny i niejasny, ale dzięki takim badaniom uzyskujemy wgląd w procesy fizyczne w skalach wykraczających poza nasze normalne ludzkie doświadczenie” – powiedziała Miriam Ashley-Ross, dyrektor programowa Dyrekcji Biologii. Science w US National Science Foundation, która częściowo sfinansowała prace. „Obsługa strzelców wyborowych jest jak wrzucanie syropu klonowego wielkości kulki brzoskwiniowej, który utknął nam w dłoniach. Skuteczny sposób, w jaki te małe owady ewoluowały w celu rozwiązania problemu, może prowadzić do inspirowanych biologią rozwiązań do usuwania rozpuszczalników w zastosowaniach mikroprodukcyjnych, takich jak elektronika, lub do szybkiego usuwania wody z strukturalnie złożonych powierzchni.
Fakt, że owady oddają mocz, jest oczywisty i często ludzie o tym nie myślą. Ale stosując soczewkę fizyki do codziennego miniaturowego procesu biologicznego, praca naukowców ujawnia nowe wymiary doceniania małych, niewidocznych zachowań.
„Ta praca potwierdza ideę, że nauka oparta na pasji jest cenna” – powiedział Sallita. „A fakt, że odkryliśmy coś naprawdę interesującego — supernapęd kropelek wody w systemie biologicznym i heroiczne wyczyny fizyki, które mają zastosowanie w innych dziedzinach — sprawia, że jest to jeszcze bardziej fascynujące”.
Uwaga: Elio J. Sallita, Prateek Sehgal, Rodrigo Grugner i M. Saath Pamla, 28 lutego 2023 r., „Napęd kropelkowy u owada kontrolowanego energetycznie”, Naturalna komunikacja.
DOI: 10.1038/s41467-023-36376-5
„Organizator. Wielokrotnie nagradzany praktyk podróży. Przyjaciel zwierząt na całym świecie. Telewizyjny pionier”.