Ένα έντομο σφεντόνας σχηματίζει μια σταγόνα ούρων πριν τα εκτοξεύσει με μεγάλη ταχύτητα. Πίστωση: Georgia Institute of Technology
Τα μικροσκοπικά έντομα γνωστά ως ελεύθεροι σκοπευτές εκκρίνονται εκτοξεύοντας σταγονίδια ούρων με απίστευτη επιτάχυνση. Η έκκρισή τους είναι το πρώτο παράδειγμα υπερδιέγερσης που ανακαλύφθηκε σε ένα βιολογικό σύστημα.
Ο Saad έκανε πεζοπορία στην αυλή του όταν παρατήρησε κάτι που δεν είχε ξαναδεί: ένα ζωύφιο να ουρεί. Αν και ήταν σχεδόν αδύνατο να το δεις, το έντομο σχημάτισε μια σχεδόν τέλεια στρογγυλή σταγόνα στην ουρά του και στη συνέχεια την εκτόξευσε με τέτοια ταχύτητα που φαινόταν να εξαφανίζεται. Το μικρό ζωύφιο παρηγοριόταν ξανά και ξανά για ώρες.
Είναι γενικά αποδεκτό ότι ό,τι μπαίνει πρέπει να προκύψει, επομένως όταν πρόκειται για τη δυναμική των υγρών στα ζώα, η έρευνα επικεντρώνεται σε μεγάλο βαθμό στη διατροφή και όχι στην απέκκριση. Αλλά ο Bhamla, επίκουρος καθηγητής στη Σχολή Χημικής και Βιομοριακής Μηχανικής στο Georgia Tech (Georgia Tech), είχε μια αίσθηση ότι αυτό που είδε δεν ήταν ασήμαντο.
«Λίγα είναι γνωστά για τη δυναμική των υγρών της έκκρισης, παρά την επιρροή της στη μορφολογία, την ενέργεια και τη συμπεριφορά των ζώων», είπε ο Bhamla. «Θέλαμε να δούμε αν αυτό το μικρό έντομο έκανε κάποια έξυπνη μηχανική ή φυσική καινοτομία για να ουρήσει με αυτόν τον τρόπο».
Δύο ελεύθεροι σκοπευτές σε ένα φυτό που ουρούν σταγόνες (με πλήρη ταχύτητα). Πίστωση: Georgia Institute of Technology
Ο Bhamla και ο Elio Challita, ένας μεταπτυχιακός φοιτητής βιομηχανικής, ερεύνησαν πώς και γιατί οι κανίβαλοι με γυάλινες φτερούγες -μικρά παράσιτα διαβόητα για τη διάδοση ασθενειών στις καλλιέργειες- εκκρίνουν με τον τρόπο που κάνουν. Χρησιμοποιώντας υπολογιστική δυναμική ρευστών και βιοφυσικά πειράματα, οι ερευνητές μελέτησαν τις αρχές της υγρής, βιοτικής και εμβιομηχανικής έκκρισης, αποκαλύπτοντας πώς ένα έντομο μικρότερο από την άκρη ενός ροζ δακτύλου εκτελεί ένα κατόρθωμα φυσικής και βιομηχανικής – υπερπροώθηση. Η έρευνά τους δημοσιεύτηκε στο περιοδικό στις 28 Φεβρουαρίου 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.
Μετά από περαιτέρω παρατήρηση, διαπίστωσαν ότι η πένα συμπιέζει τα σταγονίδια, αποθηκεύοντας ενέργεια λόγω της επιφανειακής τάσης λίγο πριν την απελευθέρωση. Για να το ελέγξουν αυτό, οι ερευνητές τοποθέτησαν σταγόνες νερού σε ένα μεγάφωνο, χρησιμοποιώντας δονήσεις για να τις συμπιέσουν σε υψηλές ταχύτητες. Ανακάλυψαν ότι όταν απελευθερώνονται μικροσκοπικά σταγονίδια νερού, αποθηκεύουν ενέργεια λόγω της εγγενούς επιφανειακής τάσης. Και αν είναι η κατάλληλη στιγμή, τα σταγονίδια μπορούν να εκτοξευθούν σε εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες.
Όμως το ερώτημα γιατί οι ελεύθεροι σκοπευτές ουρούν σταγόνες παρέμεινε αναπάντητο. Η δίαιτα δεν περιέχει σχεδόν καθόλου θερμίδες εκτός από το ξυλόμιο – ένα υγρό φτωχό σε θρεπτικά συστατικά που περιέχει μόνο νερό και λίγα μέταλλα. Πίνουν έως και 300 φορές το βάρος του σώματός τους σε ιστό ξυλώματος την ημέρα και ως εκ τούτου απαιτείται να πίνουν συνεχώς και αποτελεσματικά αποβάλλοντας τα απόβλητά τους που είναι 99% νερό. Από την άλλη πλευρά, διάφορα έντομα τρέφονται αποκλειστικά με χυμό ξυλώματος αλλά μπορούν να εκκρίνουν με ισχυρούς πίδακες.
Η ομάδα έστειλε δείγματα ελεύθερου σκοπευτή σε εξειδικευμένο εργαστήριο. Η μικροϋπολογιστική τομογραφία επέτρεψε στους Bhamla και Challita να μελετήσουν τη μορφολογία της κάνναβης και να λάβουν μετρήσεις από το εσωτερικό των εντόμων. Χρησιμοποίησαν τις πληροφορίες για να υπολογίσουν την πίεση που απαιτείται ώστε ο κανίβαλος να σπρώξει το υγρό μέσω του πολύ μικρού πρωκτικού του πόρου και να καθορίσουν την ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για να ουρήσει.
Η έρευνά τους αποκαλύπτει ότι η υπερπροωθούμενη εκτόξευση σταγονιδίων χρησιμεύει ως στρατηγική για τους σκοπευτές για εξοικονόμηση ενέργειας στον κύκλο τροφοδοσίας-απέκκρισης. Οι κανίβαλοι αντιμετωπίζουν σημαντικές ρευστοδυναμικές προκλήσεις λόγω του μικρού τους μεγέθους και των ενεργειακών περιορισμών τους, και τα σταγονίδια διαβροχής είναι η πιο ενεργειακά αποδοτική μέθοδος για να εκκρίνουν.
Ελεύθερος σκοπευτής σε φυτό βασιλικού. Πίστωση: Georgia Institute of Technology
Υποσχόμενες εφαρμογές υπερπροωθητικών εντόμων
Η μελέτη του τρόπου με τον οποίο οι ελεύθεροι σκοπευτές χρησιμοποιούν την υπερώθηση θα μπορούσε επίσης να παρέχει πληροφορίες για το πώς να σχεδιάσετε συστήματα που ξεπερνούν το κόλλημα και το ιξώδες χρησιμοποιώντας λιγότερη ενέργεια. Ένα παράδειγμα είναι φορητές ηλεκτρονικές συσκευές χαμηλής κατανάλωσης, που εκτοξεύουν νερό, όπως ένα έξυπνο ρολόι που χρησιμοποιεί τους κραδασμούς των ηχείων για να απωθεί το νερό από τη συσκευή.
«Το θέμα αυτής της μελέτης μπορεί να φαίνεται ιδιότροπο και μυστικιστικό, αλλά μέσω ερευνών όπως αυτή αποκτούμε γνώσεις για φυσικές διεργασίες σε κλίμακες μεγέθους πέρα από το εύρος της κανονικής ανθρώπινης εμπειρίας μας», δήλωσε η Miriam Ashley Ross, διευθύντρια προγραμμάτων στη Διεύθυνση Βιολογία. Επιστήμη στο Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ, το οποίο χρηματοδότησε εν μέρει το έργο. “Αυτό με το οποίο αντιμετωπίζουν οι ελεύθεροι σκοπευτές θα είναι σαν να προσπαθούμε να πάρουμε μια μπάλα με σιρόπι σφενδάμου σε μέγεθος μπιτς που είχε κολλήσει στα χέρια μας. Ο αποτελεσματικός τρόπος με τον οποίο αναπτύχθηκαν αυτά τα μικροσκοπικά έντομα για να λύσουν το πρόβλημα μπορεί να οδηγήσει σε λύσεις βιολογικής έμπνευσης για την αφαίρεση του διαλύτη σε μικρές κατασκευαστικές εφαρμογές όπως ηλεκτρονικά ή απόρριψη Το νερό απομακρύνεται γρήγορα από δομικά πολύπλοκες επιφάνειες».
Το γεγονός και μόνο ότι τα έντομα κατουρούν είναι επιτακτικό από μόνο του, κυρίως επειδή οι άνθρωποι δεν το σκέφτονται πολύ. Αλλά με την εφαρμογή του φακού της φυσικής σε μια καθημερινή μικροβιολογική διαδικασία, η εργασία των ερευνητών αποκαλύπτει νέες διαστάσεις για την εκτίμηση μικρών συμπεριφορών πέρα από αυτό που συναντά το μάτι.
«Αυτό το έργο ενισχύει την ιδέα ότι η επιστήμη που βασίζεται στην περιέργεια είναι πολύτιμη», είπε ο Shallita. «Και το γεγονός ότι ανακαλύψαμε κάτι τόσο ενδιαφέρον—την υπερβολή των σταγονιδίων σε ένα βιολογικό σύστημα και ηρωικά επιτεύγματα της φυσικής που έχουν εφαρμογές σε άλλους τομείς—το κάνει ακόμα πιο συναρπαστικό».
Αναφορά: «Superdroplet Propulsion in a Tightly Constrained Insect» των Elio J. Shalita, Prateek Segal, Rodrigo Krugner και Saad Bhamla, 28 Φεβρουαρίου 2023, Διαθέσιμο εδώ. Επικοινωνίες για τη φύση.
DOI: 10.1038/s41467-023-36376-5