Pohybující se hmyz vytvoří kapku moči, než ji vysokou rychlostí vyvrhne. Kredit: Georgia Institute of Technology
Drobný hmyz známý jako ostřelovači se vylučuje chrlením kapiček moči s neuvěřitelným zrychlením. Jejich sekrece je prvním příkladem superstimulace objevené v biologickém systému.
Saad byl na procházce po svém dvorku, když si všiml něčeho, co nikdy předtím neviděl: močícího brouka. Přestože to nebylo téměř vidět, hmyz vytvořil na ocase téměř dokonale kulatou kapku a pak ji odstřelil takovou rychlostí, že jako by zmizel. Malý brouček se utěšoval znovu a znovu celé hodiny.
Všeobecně se uznává, že se musí ukázat, co se stane, takže pokud jde o dynamiku tekutin u zvířat, výzkum se zaměřuje spíše na výživu než na vylučování. Ale Bhamla, odborný asistent na Škole chemického a biomolekulárního inženýrství na Georgia Tech, měl tušení, že to, co viděl, není bezvýznamné.
„Málo je známo o dynamice tekutin sekrece, navzdory jejímu vlivu na morfologii, energii a chování zvířat,“ řekl Bhamla. „Chtěli jsme zjistit, zda tento malý hmyz provedl nějaké chytré inženýrské nebo fyzikální inovace, aby mohl močit tímto způsobem.“
Dva odstřelovači na rostlinu močící po kapkách (plná rychlost). Kredit: Georgia Institute of Technology
Bhamla a Elio Challita, postgraduální student bioinženýrství, zkoumali, jak a proč kanibalové se skleněnými křídly – drobní škůdci proslulí šířením chorob v plodinách – vylučují tak, jak to dělají. Pomocí výpočetní dynamiky tekutin a biofyzikálních experimentů vědci studovali principy tekutinové, biotické a biomechanické sekrece a odhalili, jak hmyz menší než špička malíčku vykonává fyzikální a bioinženýrský výkon – superpohon. Jejich výzkum byl publikován v časopise 28. února 2023
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.
Při dalším pozorování zjistili, že pero kapky stlačuje a těsně před vypuštěním ukládá energii v důsledku povrchového napětí. Aby to vědci otestovali, umístili kapky vody na reproduktor a pomocí vibrací je stlačili vysokou rychlostí. Zjistili, že když se uvolňují drobné kapičky vody, ukládají energii v důsledku přirozeného povrchového napětí. A pokud je správný čas, mohou být kapky vypouštěny extrémně vysokou rychlostí.
Ale otázka, proč odstřelovači močí po kapkách, zůstala nezodpovězena. Strava neobsahuje téměř žádné kalorie kromě xylemu – tekutiny chudé na živiny, která obsahuje pouze vodu a málo minerálů. Denně vypijí až 300násobek své tělesné hmotnosti v xylémové tkáni, a proto musí neustále pít a účinně vylučovat své odpadní vody, které tvoří 99 % vody. Na druhou stranu, různý hmyz se také živí výhradně xylémovou mízou, ale může vylučovat v silných tryskách.
Tým poslal vzorky odstřelovačů do specializované laboratoře. Mikropočítačová tomografie umožnila Bhamlovi a Challitě studovat morfologii konopí a provádět měření zevnitř hmyzu. Použili informace k výpočtu tlaku potřebného k tomu, aby kanibal protlačil tekutinu přes velmi malý anální kanál, a ke stanovení množství energie potřebné k močení.
Jejich výzkum odhaluje, že superpoháněné vyhazování kapiček slouží střelcům jako strategie k ušetření energie v cyklu krmení a vylučování. Kanibalové čelí značným problémům s dynamikou tekutin kvůli jejich malé velikosti a energetickým omezením a smáčení kapiček je pro ně energeticky nejúčinnější způsob vylučování.
Sniper na rostlině bazalky. Kredit: Georgia Institute of Technology
Slibné aplikace hmyzích superpropelantů
Studium toho, jak odstřelovači používají hyperthrust, by také mohlo poskytnout pohled na to, jak navrhnout systémy, které překonávají lepení a viskozitu s použitím méně energie. Jedním z příkladů jsou nositelná elektronická zařízení s nízkou spotřebou a vylučující vodu, jako jsou chytré hodinky, které využívají vibrací reproduktorů k odpuzování vody ze zařízení.
„Předmět této studie se může zdát rozmarný a mystický, ale prostřednictvím vyšetřování, jako je toto, získáváme vhled do fyzikálních procesů v měřítku přesahujícím rozsah naší běžné lidské zkušenosti,“ řekla Miriam Ashley Ross, ředitelka programů v ředitelství Biologie. Věda v americké National Science Foundation, která práci částečně financovala. „To, s čím se ostřelovači potýkají, bude jako pokusit se získat kuličku javorového sirupu o velikosti plážové koule, která nám uvízla v rukou. Účinný způsob, jakým se tento drobný hmyz vyvinul k vyřešení problému, může vést k bioinspirovaným řešením pro odstranění rozpouštědel.“ v malých výrobních aplikacích, jako je elektronika nebo likvidace Voda rychle odstraňuje strukturálně složité povrchy.
Pouhá skutečnost, že hmyz čůrá, je sama o sobě přesvědčivá, většinou proto, že o tom lidé moc nepřemýšlejí. Ale použitím čočky fyziky na každodenní mikrobiologický proces odhaluje práce výzkumníků nové dimenze pro oceňování malých chování mimo to, co se naskytne zraku.
„Tato práce posiluje myšlenku, že věda řízená zvědavostí je cenná,“ řekl Shallita. „A skutečnost, že jsme objevili něco tak zajímavého – hyperbolizaci kapiček v biologickém systému a hrdinské činy fyziky, které mají uplatnění v jiných oblastech – to činí ještě fascinujícím.“
Odkaz: „Superdropletový pohon v pevně sevřeném hmyzu“ od Elio J. Shalita, Prateek Segal, Rodrigo Krugner a Saad Bhamla, 28. února 2023, k dispozici zde. Příroda komunikace.
DOI: 10.1038/s41467-023-36376-5
„Hudební učenec. Spisovatel. Zlý slanina evangelista. Hrdý twitter narkoman. Myslitel. Milovník internetu. Jemně okouzlující hráč.“
