Ostrostrelec vytvorí kvapôčku hmyzieho moču skôr, ako ju rýchlo vyvrhne. Poďakovanie: Georgia Institute of Technology
Drobný hmyz známy ako ostrostrelci katapultuje kvapôčky moču von neuveriteľným zrýchlením. Ich emisia je prvým príkladom superpohonu objaveného v biologickom systéme.
Saad Bhamla bol na svojom dvore, keď uvidel niečo, čo nikdy predtým nevidel: močiaci červ. Hoci to bolo takmer nemožné vidieť, hmyz vytvoril na chvoste takmer dokonale okrúhlu kvapôčku a potom ju vypustil tak rýchlo, že sa zdalo, že zmizne. Malý červík si uľavoval znova a znova celé hodiny.
Všeobecne sa predpokladá, že to, čo ide dovnútra, musí vyjsť, takže pokiaľ ide o dynamiku tekutín u zvierat, výskum sa vo veľkej miere zameral skôr na kŕmenie ako na vylučovanie. Ale Bhamla, odborný asistent na Škole chemického a biomolekulového inžinierstva na Georgia Institute of Technology (Georgia Tech), mal silný pocit, že to, čo videl, nebolo triviálne.
„Napriek jeho dôsledkom pre morfológiu, energetiku a správanie zvierat je o dynamike tekutín exkrétov málo známe,“ povedal Bhamla. „Chceli sme zistiť, či tento malý hmyz prišiel s nejakými šikovnými inžinierskymi alebo fyzikálnymi inováciami, aby mohol močiť týmto spôsobom.“
Dvaja ostrostrelci na rastline, cikajúci po kvapkách (plný pohyb). Poďakovanie: Georgia Institute of Technology
Bhamla a postgraduálny študent bioinžinierstva Elio Challita skúmajú, ako a prečo ostrostrelci so sklenenými krídlami – drobný hmyz, ktorý je známy rozširovaním chorôb na plodiny – vylučujú tak, ako to robia. Pomocou výpočtovej dynamiky tekutín a biofyzikálnych experimentov výskumníci študovali fluidné, energetické a biomechanické princípy pohonu, aby odhalili, ako hmyz menší ako špička malíčka dosahuje fyziku a bioinžinierstvo superpohonu. Ich výskum, publikovaný 28. februára 2023 v časopise
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.
Pri ďalšom pozorovaní zistili, že tesne pred spustením dotykové pero stláča kvapôčky a ukladá energiu v dôsledku povrchového napätia. Aby to vedci otestovali, umiestnili kvapky vody na zvukový reproduktor a pomocou vibrácií ich stlačili pri vysokých rýchlostiach. Zistili, že v menšom meradle, keď sa premietajú kvapky vody, ukladajú energiu v dôsledku prirodzeného povrchového napätia. A ak je správne načasované, kvapky môžu byť vypustené extrémne vysokou rýchlosťou.
Stále však nebola zodpovedaná otázka, prečo ostrostrelci močia po kvapkách. Strava ostrostrelcov s takmer nulovou kalorickou hodnotou pozostáva len z rastlinnej xylémovej šťavy – tekutiny s nedostatkom živín, ktorá sa skladá iba z vody a minerálov. Denne vypijú xylémovú miazgu až 300-násobok svojej telesnej hmotnosti, a preto potrebujú neustále piť a efektívne vylučovať svoju tekutinu, ktorú tvorí 99 % voda. Na druhej strane, rôzny hmyz sa tiež živí výlučne xylémovou šťavou, ale môže vylučovať silnými prúdmi.
Tím poslal vzorky ostrostrelca do špeciálneho laboratória. Mikro CT skenovanie umožnilo Bhamlovi a Challite študovať morfológiu ostrostrelca a vykonávať merania zvnútra hmyzu. Tieto informácie použil na výpočet tlaku potrebného pre ostrostrelca, aby určil, koľko energie by bolo potrebné na vymočenie ostrostrelca.
Ich výskum naznačuje, že superpropulzívne vyhadzovanie kvapiek slúži ako stratégia pre ostrostrelcov na šetrenie energie na jeden cyklus kŕmenia a emisií. Ostrostrelci čelia veľkým výzvam v oblasti dynamiky tekutín kvôli ich malej veľkosti a nedostatku energie a močenie po kvapkách je pre nich energeticky najefektívnejší spôsob močenia.
Ostrostrelec v závode Tulsi. Poďakovanie: Georgia Institute of Technology
Sľubné aplikácie pre superpohon hmyzu
Štúdium toho, ako ostrostrelci používajú superpohon, môže tiež poskytnúť pohľad na to, ako navrhnúť systémy, ktoré prekonávajú nízkoenergetickú adhéziu a viskozitu. Príkladom je nositeľná elektronika s nízkou spotrebou vody, ako sú inteligentné hodinky, ktoré využívajú vibrácie reproduktorov na odpudzovanie vody zo zariadenia.
„Predmet tejto štúdie sa môže zdať rozmarný a ezoterický, ale práve z takýchto výskumov získavame pohľad na fyzikálne procesy vo veľkostiach mimo našej bežnej ľudskej skúsenosti,“ povedala Miriam Ashley-Ross, riaditeľka programu Biological povedala. vedy v americkej Národnej vedeckej nadácii, ktorá prácu čiastočne financovala. „To, čo riešia ostrostrelci, by bolo, ako keby sme sa pokúšali odraziť guľu javorového sirupu o veľkosti plážovej loptičky, ktorá nám uviazla v ruke. Tento malý hmyz má schopnosť vyriešiť problém.“ bioinšpirované riešenia na odstraňovanie rozpúšťadiel v aplikáciách mikrovýroby, ako je rýchle splachovanie vody z elektronických alebo štrukturálne zložitých povrchov.
Už len to, že hmyz čúra, je samo o sebe presvedčivé, keďže o tom ľudia často nepremýšľajú. Aplikovaním fyzikálnej šošovky na každodenné miniatúrne biologické procesy však práca vedcov odhaľuje nové dimenzie pre ocenenie drobného správania, s ktorým sa oko stretáva.
„Táto práca posilňuje myšlienku, že veda poháňaná zvedavosťou je cenná,“ povedal Chalita. „A skutočnosť, že sme objavili niečo, čo je také zaujímavé – superpohon kvapôčok v biologickom systéme a hrdinské činy fyziky, ktoré majú uplatnenie v iných oblastiach – to robí ešte viac fascinujúcim.“
Referencia: Elio J. „Superpohon kvapiek v energeticky obmedzenom hmyze“ od Challita, Prateek Sehgal, Rodrigo Krugner a M. Saad Bhamla, 28. februára 2023, k dispozícii tu. komunikácia prírody,
DOI: 10.1038/s41467-023-36376-5
