「お尻のちらつき」を使った超高速名詞数昆虫排尿

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.

さらなる観察により、スタイラスは水滴を圧縮し、発射直前に表面張力によってエネルギーを貯蔵することを発見した。 これをテストするために、研究者は振動を使用して高速で圧縮するオーディオスピーカーに水滴を配置しました。 彼らは小さなスケールで水滴が発射されたときに固有の表面張力のためにエネルギーを節約することを発見しました。 そしてタイミングが正しいと、非常に速い速度で水滴を発射することができます。

しかし、名詞が水滴に尿を見る理由についての質問はまだ答えがありませんでした。 名詞数のほとんどゼロカロリーの食事は、水と微量のミネラルを含む栄養不足の液体である植物の木質部分の樹液のみで構成されています。 彼らは1日に木の樹液を体重の300倍まで飲むので、継続的に飲み、99％が水である体液廃棄物を効率的に排泄しなければなりません。 一方、他の昆虫も水管部の樹液だけを食べて生きますが、強力な噴出口に排泄することができます。

チームは名詞のサンプルを専門の研究室に送った。 マイクロCTスキャンにより、BhamlaとChallitaは名詞数の形態を研究し、昆虫の内部で測定することができました。 彼らはこの情報を使用して、名詞数が非常に小さい肛門管を通して体液を押し出すのに必要な圧力を計算し、名詞数が尿を見るのに必要なエネルギーの量を決定しました。

彼らの研究によると、超推進的な飛沫放出は、名詞数が餌 – 排泄サイクルごとにエネルギーを保存する戦略として機能します。 名詞数は、小さなサイズとエネルギー制約のため、主な流体力学の問題に直面し、水滴に尿を見ることが最もエネルギー効率の良い排泄方法です。

バジル植物の名詞数。 クレジット：ジョージア工科大学

昆虫超推進のための有望なアプリケーション

名詞が超推進を使用する方法を研究すると、低エネルギーで接着力と粘度を克服するシステムを設計する方法についての洞察を得ることができます。 １つの例は、スピーカ振動を使用して装置から水を押し出すスマートウォッチのような低電力水放出ウェアラブル電子装置である。

Biological DirectorateのプログラムディレクターであるMiriam Ashley-Ross氏は、「この研究のテーマは奇妙で難解に思えるかもしれませんが、このような調査は、通常の人間の経験を超えた規模の物理的プロセスについての洞察を得ることができます」と語った。 この仕事に部分的に資金を供給した米国国立科学財団の科学。 「名詞手が扱うのは、私たちが手にくっついたビーチボールサイズのメープルシロップ球を投げようとしているのと同じです。 これらの小さな昆虫が問題を解決するための進化した効率的な方法は、電子製品などの微細製造用途で溶媒を除去したり、構造的に複雑な表面から急速に水を流すためのバイオインスピレーションソリューションにつながる可能性があります。

昆虫が尿を見るという単純な事実は、人々がそれについてよく考えないので、それ自体は説得力があります。 しかし、物理学のレンズを日常の小さな生物学的プロセスに適用することによって、研究者の仕事は目に見える以上の小さな行動を見ることができる新しい次元を示しています。

「この仕事は好奇心が導く科学が価値があるという考えを強化する」とChallitaは言った。 「そして私たちが非常に興味深いことを発見したという事実、つまり生物学的システムで水滴の超推進や他の分野に応用できる物理学の英雄的な偉業を発見したという事実はさらに魅力的です」

参照：2023年2月28日、Elio J. Challita、Prateek Sehgal、Rodrigo Krugner、およびM. Saad Bhamlaの「活発に制限された昆虫の水滴の超推進」、 ネイチャーコミュニケーションズ。
DOI: 10.1038/s41467-023-36376-5