Брзо мокрење тупих инсеката помоћу ‘бутт фласх’

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.

хттпс://ввв.иоутубе.цом/ватцх?в=бО8Кси6-у5Рц

Даљњим посматрањем, открили су да оловка сабија капљице, акумулирајући енергију због површинске напетости непосредно пре пуштања. Да би ово тестирали, истраживачи су ставили капљице воде на звучник, користећи вибрације да их компресују при великим брзинама. Открили су да када се испуштају ситне капљице воде, оне складиште енергију због инхерентне површинске напетости. А ако је време право, капљице се могу лансирати изузетно великом брзином.

Али питање зашто снајперисти уринирају у капима остало је без одговора. Исхрана се састоји од скоро никаквих калорија осим ксилема – течности сиромашне хранљивим материјама која садржи само воду и мало минерала. Они дневно пију до 300 пута више од своје телесне тежине у ткиву ксилема и стога су обавезни да стално пију и ефикасно излучују свој ефлуент који је 99% воде. С друге стране, разни инсекти се такође хране искључиво соком ксилема, али могу да се излучују снажним млазовима.

Тим је послао узорке снајпера у специјализовану лабораторију. Микрокомпјутерска томографија је омогућила Бхамли и Цхаллити да проучавају морфологију канабиса и врше мерења из унутрашњости инсеката. Они су користили информације да израчунају притисак који је потребан канибалу да гурне течност кроз свој веома мали анални канал и да одреде количину енергије која је потребна за мокрење.

Њихово истраживање открива да супер-покренуто избацивање капљица служи као стратегија за стрелце да уштеде енергију у циклусу храњења-излучивања. Канибали се суочавају са значајним изазовима динамике флуида због своје мале величине и енергетских ограничења, а влажење капљица је енергетски најефикаснији метод за њихово излучивање.

Снајпер на биљци босиљка. Кредит: Технолошки институт Џорџије

Обећавајуће примене суперпогонских средстава за инсекте

Проучавање начина на који снајперисти користе хиперпотисак би такође могло да пружи увид у то како да се дизајнирају системи који превазилазе лепљење и вискозност користећи мање енергије. Један пример су преносиви електронски уређаји мале снаге, који избацују воду, као што је паметни сат који користи вибрације звучника да одбије воду из уређаја.

„Предмет ове студије може изгледати чудновато и мистично, али кроз оваква истраживања стичемо увид у физичке процесе на скалама величине изван опсега нашег нормалног људског искуства“, рекла је Мириам Асхлеи Росс, директорка програма у Дирекцији за Биологија. Наука у Националној научној фондацији САД, која је делимично финансирала рад. „Оно са чиме се снајперисти баве биће као покушај да добијемо лопту јаворовог сирупа величине лоптице за плажу која се заглавила у нашим рукама. Ефикасан начин на који су ови мали инсекти развили да реше проблем може довести до био-инспирисаних решења за уклањање растварача у малим производним апликацијама као што су електроника или одлагање Вода брзо са структурно сложених површина.”

Сама чињеница да инсекти пишају је убедљива сама по себи, углавном зато што људи не размишљају много о томе. Али применом сочива физике на свакодневни микробиолошки процес, рад истраживача открива нове димензије за уважавање малих понашања изван онога што се види.

„Овај рад јача идеју да је наука вођена радозналошћу вредна“, рекла је Шалита. „А чињеница да смо открили нешто тако интригантно — хиперболисање капљица у биолошком систему и херојски подвизи физике који имају примену у другим областима — чини то још фасцинантнијим.

Референца: „Погон суперкапљице у чврсто ограниченом инсекту“ од Елио Ј. Схалита, Пратеек Сегал, Родриго Кругнер и Саад Бхамла, 28. фебруар 2023, доступно овде. Натуре Цоммуницатионс.
ДОИ: 10.1038/с41467-023-36376-5