تتبول حشرة القناص بسرعة فائقة 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 قطرات الماء ويخزن الطاقة بسبب التوتر السطحي قبل الإطلاق مباشرة. لاختبار ذلك ، وضع الباحثون قطرات الماء في مكبر صوت واستخدموا الاهتزازات لدفعها بسرعات عالية. اكتشفوا على نطاقات صغيرة أنه عندما يتم إطلاق قطرات الماء ، فإنها تخزن الطاقة بسبب التوتر السطحي المتأصل. إذا تم توقيتها بشكل صحيح ، فسيتم إطلاق القطرات بسرعات عالية جدًا.

لكن السؤال عن سبب تبول القناصين في قطرات الماء يظل بلا إجابة. يحتوي نظام Sharpshooter الغذائي الذي لا يحتوي على أي سعرات حرارية إلا على مستخلص نبات الخشب – وهو سائل فقير بالمغذيات ويحتوي فقط على الماء والأملاح المعدنية. إنهم يشربون ما يصل إلى 300 ضعف وزن أجسامهم في نسيج نسيج الخشب يوميًا ، لذلك يجب عليهم الشرب باستمرار وإخراج نفاياتهم السائلة بكفاءة ، والتي تمثل 99 ٪ من الماء. من ناحية أخرى ، تتغذى الحشرات المختلفة حصريًا على نسغ نسيج الخشب ، ولكن يمكنها طردها في نفاثات قوية.

أرسل الفريق عينات Sharpshooter إلى مختبر متخصص. مكّن التصوير المقطعي المحوسب الدقيق باملا وساليثا من دراسة مورفولوجيا القناص وأخذ القياسات من داخل الحشرات. لقد استخدموا المعلومات لحساب الضغط الذي يتطلبه القناص لدفع السائل عبر قناته الشرجية الصغيرة جدًا ، وتحديد مقدار الطاقة التي يحتاجها القناص للتبول.

يكشف بحثهم أن طرد القطرات الفائق الدفع بمثابة إستراتيجية للرماة للحفاظ على الطاقة في دورة طرد التغذية. يواجه القناصون تحديات كبيرة في ديناميكيات السوائل نظرًا لصغر حجمهم وقيود الطاقة ، كما أن التبول في القطيرات يعد وسيلة موفرة للطاقة بالنسبة لهم للإفراز.

قناص على نبات الريحان. الائتمان: معهد جورجيا للتكنولوجيا

تطبيقات واعدة للدفع الفائق للحشرات

يمكن أن توفر دراسة كيفية استخدام القناصين للدفع الفائق نظرة ثاقبة حول كيفية تصميم الأنظمة التي تتغلب على الالتصاق واللزوجة منخفضة الطاقة. ومن الأمثلة على ذلك الأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء والطاردة للماء منخفضة الطاقة ، مثل الساعة الذكية التي تستخدم اهتزازات السماعات لصد الماء من الجهاز.

قالت ميريام أشلي روس ، مديرة برنامج مديرية الأحياء: “قد يبدو موضوع هذه الدراسة غريبًا وغامضًا ، ولكن من خلال دراسات مثل هذه نكتسب نظرة ثاقبة في العمليات الفيزيائية بمقاييس خارج خبرتنا البشرية العادية”. العلوم في مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية ، التي مولت العمل جزئيًا. “التعامل مع القناصين يشبه إلقاء كمية بحجم كرة الخوخ من شراب القيقب عالق في أيدينا. قد تؤدي الطريقة الفعالة التي تطورت بها هذه الحشرات الصغيرة لحل المشكلة إلى حلول مستوحاة من الحيوية لإزالة المذيبات في تطبيقات التصنيع الصغيرة مثل الإلكترونيات ، أو لإزالة الماء بسرعة من الأسطح المعقدة هيكليًا.

حقيقة أن الحشرات تتبول أمر بديهي ، وغالبًا لا يفكر الناس في الأمر. ولكن من خلال تطبيق عدسة الفيزياء على عملية بيولوجية مصغرة يومية ، يكشف عمل الباحثين عن أبعاد جديدة لتقدير السلوكيات الصغيرة غير المرئية.

قالت ساليتا: “يعزز هذا العمل فكرة أن العلم الذي تحركه العاطفة هو أمر ذو قيمة”. “وحقيقة أننا اكتشفنا شيئًا مثيرًا للاهتمام حقًا – الاندفاع الفائق لقطرات الماء في نظام بيولوجي والمآثر البطولية للفيزياء التي لها تطبيقات في مجالات أخرى – تجعل الأمر أكثر روعة.”

ملاحظة: Elio J. ساليتا ، براتيك سيجال ، رودريجو جروجنر وم. Saath Bamla ، 28 فبراير 2023 ، “Droplet Superpropulsion in a Gegetically Control الحشرات” ، التواصل الطبيعي.
DOI: 10.1038 / s41467-023-36376-5