التبول السريع للحشرات الحادة باستخدام “وميض بعقب”

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.

https://www.youtube.com/watch؟v=bO8Xy6-u5Rc

بعد مزيد من الملاحظة ، وجدوا أن القلم يضغط على القطرات ، ويخزن الطاقة بسبب التوتر السطحي قبل الإطلاق مباشرة. لاختبار ذلك ، وضع الباحثون قطرات الماء على مكبر صوت ، مستخدمين الاهتزازات لضغطها بسرعات عالية. اكتشفوا أنه عند إطلاق قطرات الماء الصغيرة ، فإنها تخزن الطاقة بسبب التوتر السطحي المتأصل. وإذا كان الوقت مناسبًا تمامًا ، يمكن إطلاق القطيرات بسرعات عالية للغاية.

لكن السؤال عن سبب تبول القناصين في القطرات ظل بلا إجابة. يتكون النظام الغذائي الذي لا يحتوي على أي سعرات حرارية تقريبًا إلا من نبات نسيج الخشب – وهو سائل يفتقر إلى المغذيات ويحتوي فقط على الماء وقليل من المعادن. يشربون ما يصل إلى 300 ضعف وزن أجسامهم في نسيج نسيج الخشب يوميًا ، وبالتالي يُطلب منهم الشرب باستمرار وإفراز نفاياتهم السائلة بكفاءة والتي تبلغ 99 ٪ من الماء. من ناحية أخرى ، تتغذى الحشرات المختلفة أيضًا حصريًا على نسغ نسيج الخشب ولكن يمكن أن تفرز في نفاثات قوية.

أرسل الفريق عينات قناص إلى مختبر متخصص. مكّن التصوير المقطعي المحوسب الدقيق Bhamla و Challita من دراسة مورفولوجيا القناص وأخذ القياسات من داخل الحشرات. لقد استخدموا المعلومات لحساب الضغط المطلوب للقناص لدفع السائل عبر قناته الشرجية الصغيرة جدًا ، وتحديد مقدار الطاقة المطلوبة للتبول.

يكشف بحثهم أن طرد القطرات الفائق الدفع بمثابة إستراتيجية للرماة للحفاظ على الطاقة في دورة إفراز التغذية. يواجه القناصون تحديات ديناميكية كبيرة للسوائل بسبب صغر حجمهم وقيود الطاقة ، والتبول في القطيرات هو الطريقة الأكثر كفاءة في استخدام الطاقة بالنسبة لهم للإفراز.

قناص على نبات الريحان. الائتمان: معهد جورجيا للتكنولوجيا

تطبيقات واعدة للدفع الفائق للحشرات

دراسة كيفية استخدام القناصين للدفع الفائق يمكن أن توفر أيضًا رؤى حول كيفية تصميم الأنظمة التي تتغلب على الالتصاق واللزوجة باستخدام طاقة أقل. أحد الأمثلة على ذلك هو الأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء ذات الطاقة المنخفضة بإخراج الماء ، مثل الساعة الذكية التي تستخدم اهتزازات السماعات لصد الماء من الجهاز.

قالت ميريام آشلي روس ، مديرة البرامج في مديرية علم الأحياء: “قد يبدو موضوع هذه الدراسة غريب الأطوار وباطنيًا ، ولكن من خلال مثل هذه التحقيقات ، نكتسب نظرة ثاقبة على العمليات الفيزيائية بمقاييس الحجم خارج نطاق تجربتنا البشرية العادية”. العلوم في مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية ، التي مولت العمل جزئيًا. “ما يتعامل معه القناصون سيكون مثل محاولتنا التخلص من كرة بحجم كرة الشاطئ من شراب القيقب التي كانت عالقة في أيدينا. قد تؤدي الطريقة الفعالة التي طورتها هذه الحشرات الصغيرة لحل المشكلة إلى حلول مستوحاة من الحيوية لإزالة المذيبات في تطبيقات التصنيع الصغيرة مثل الإلكترونيات أو التخلص من المياه بسرعة من الأسطح المعقدة هيكليًا “.

إن مجرد حقيقة أن الحشرات تتبول أمر مقنع من تلقاء نفسها ، غالبًا لأن الناس لا يفكرون في ذلك كثيرًا. ولكن من خلال تطبيق عدسة الفيزياء على عملية بيولوجية مصغرة يومية ، يكشف عمل الباحثين عن أبعاد جديدة لتقدير السلوكيات الصغيرة بما يتجاوز ما تراه العين.

قال شاليتا: “يعزز هذا العمل فكرة كون العلم الذي يحركه الفضول ذا قيمة”. “وحقيقة أننا اكتشفنا شيئًا مثيرًا للاهتمام – الاندفاع الفائق للقطرات في نظام بيولوجي والمآثر البطولية للفيزياء التي لها تطبيقات في مجالات أخرى – تجعله أكثر روعة.”

المرجع: “الدفع الفائق للقطرة في حشرة مقيدة بقوة” بقلم إيليو جيه شاليتا ، وبراتيك سيغال ، ورودريجو كروجنر ، وسعد بهاملا ، 28 فبراير 2023 ، اتصالات الطبيعة.
DOI: 10.1038 / s41467-023-36376-5