Urinarea rapidă a insectelor contondente folosind „but flash”

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.

În urma unor observații suplimentare, ei au descoperit că stiloul injector comprimă picăturile, stocând energie din cauza tensiunii superficiale chiar înainte de eliberare. Pentru a testa acest lucru, cercetătorii au plasat picături de apă pe un difuzor, folosind vibrații pentru a le comprima la viteze mari. Ei au descoperit că atunci când sunt eliberate picături mici de apă, acestea stochează energie datorită tensiunii superficiale inerente. Și dacă timpul este potrivit, picăturile pot fi lansate cu viteze extrem de mari.

Dar întrebarea de ce lunetisții urinează în picături a rămas fără răspuns. Dieta nu constă aproape deloc calorii, cu excepția xilemului – un lichid sărac în nutrienți care conține doar apă și puține minerale. Ei beau până la 300 de ori greutatea lor corporală în țesut xilem pe zi și, prin urmare, trebuie să bea constant și să-și excrete eficient efluentul care este 99% apă. Pe de altă parte, diverse insecte se hrănesc exclusiv cu seva de xilem, dar pot excreta în jeturi puternice.

Echipa a trimis mostre de lunetist la un laborator specializat. Tomografia microcomputerizată ia permis lui Bhamla și Challita să studieze morfologia canabisului și să efectueze măsurători din interiorul insectelor. Ei au folosit informațiile pentru a calcula presiunea necesară unui canibal pentru a împinge lichidul prin canalul său anal foarte mic și pentru a determina cantitatea de energie necesară pentru a urina.

Cercetările lor dezvăluie că ejectarea picăturilor super-propulsate servește ca strategie pentru trăgători de a conserva energia în ciclul de hrănire-excreție. Canibalii se confruntă cu provocări semnificative de dinamică a fluidelor din cauza dimensiunilor reduse și a limitărilor energetice, iar umezirea picăturilor este metoda cea mai eficientă din punct de vedere energetic pentru a le elimina.

Lunetist pe plantă de busuioc. Credit: Institutul de Tehnologie din Georgia

Aplicații promițătoare ale superpropulsanților pentru insecte

Studierea modului în care lunetisții folosesc hiperthrust ar putea oferi, de asemenea, perspective asupra modului de proiectare a sistemelor care depășesc lipirea și vâscozitatea folosind mai puțină energie. Un exemplu sunt dispozitivele electronice purtate cu putere redusă, care ejectează apă, cum ar fi un ceas inteligent care utilizează vibrațiile difuzoarelor pentru a respinge apa din dispozitiv.

„Subiectul acestui studiu poate părea capricios și mistic, dar prin investigații ca aceasta obținem perspective asupra proceselor fizice la scări de mărime dincolo de limitele experienței noastre umane normale”, a spus Miriam Ashley Ross, director de programe în Direcția de Biologie. Știință la Fundația Națională pentru Știință din SUA, care a finanțat parțial lucrarea. „Ceea ce au de-a face lunetistii va fi ca si cum ai incerca sa obtinem o minge de sirop de artar de marimea unei mingi de plaja care a fost blocata in mainile noastre. Modul eficient pe care l-au dezvoltat aceste mici insecte pentru a rezolva problema poate duce la solutii bio-inspirate pentru indepartarea solventului. în aplicații de producție mici, cum ar fi electronice sau eliminarea apei de pe suprafețele complexe structural.”

Simplul fapt că insectele fac pipi este convingător de la sine, mai ales pentru că oamenii nu se gândesc prea mult la asta. Dar, prin aplicarea lentilei fizicii unui proces micro-biologic de zi cu zi, munca cercetătorilor dezvăluie noi dimensiuni pentru aprecierea comportamentelor mici dincolo de ceea ce vedem.

„Această lucrare întărește ideea că știința bazată pe curiozitate este valoroasă”, a spus Shallita. „Și faptul că am descoperit ceva atât de intrigant – hiperbolizarea picăturilor într-un sistem biologic și fapte eroice ale fizicii care au aplicații în alte domenii – îl face și mai fascinant.”

Referință: „Superdroplet Propulsion in a Tightly Constrained Insect” de Elio J. Shalita, Prateek Segal, Rodrigo Krugner și Saad Bhamla, 28 februarie 2023, disponibil aici. Comunicarea naturii.
DOI: 10.1038/s41467-023-36376-5