「バットフラッシュ」を使った鈍い昆虫の急速な排尿

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.

さらに観察すると、ペンが液滴を圧縮し、放出直前に表面張力によりエネルギーを蓄えていることがわかりました。 これをテストするために、研究者は水滴を拡声器に置き、振動を使用して高速で圧縮しました。 彼らは、小さな水滴が放出されると、固有の表面張力のためにエネルギーを蓄えることを発見しました。 そして、タイミングが合えば、液滴は非常に高速で発射されます。

しかし、なぜ狙撃兵が一滴ずつ排尿するのかという問題は未解決のままでした。 この食事は、木部を除いてほとんどカロリーを含まない. 彼らは 1 日あたり最大で体重の 300 倍の木部組織を飲むため、常に水を飲み、99% が水である排泄物を効率的に排出する必要があります。 一方、さまざまな昆虫も木部樹液だけを食べますが、強力なジェットで排泄することができます.

チームは狙撃兵のサンプルを専門の研究所に送りました。 マイクロコンピュータ断層撮影法により、Bhamla と Challita は大麻の形態を研究し、昆虫の内部から測定することができました。 彼らは、その情報を使用して、人食い人種が非常に小さな肛門管から液体を押し出すのに必要な圧力を計算し、排尿に必要なエネルギー量を決定しました。

彼らの研究は、超推進液滴の放出が、射手が摂食排泄サイクルでエネルギーを節約するための戦略として機能することを明らかにしています。 人食い人種は、サイズが小さく、エネルギーが限られているため、流体力学的に大きな課題に直面しています。水滴を濡らすことは、彼らが排泄するための最もエネルギー効率の良い方法です。

バジルの狙撃兵。 クレジット: ジョージア工科大学

昆虫用超推進剤の有望な用途

狙撃兵がハイパースラストを使用する方法を研究することで、より少ないエネルギーで粘着と粘性を克服するシステムを設計する方法についての洞察も得られる可能性があります。 一例として、スピーカーの振動を利用してデバイスから水をはじくスマートウォッチなど、低電力で水を排出するウェアラブル電子デバイスがあります。

「この研究の主題は気まぐれで神秘的なように見えるかもしれませんが、このような調査を通じて、私たちは通常の人間の経験の範囲を超えた規模の物理的プロセスへの洞察を得ることができます.生物学。 部分的に研究に資金を提供した米国国立科学財団の科学。 「狙撃兵が対処しているのは、私たちの手にくっついたビーチボール サイズのメープル シロップのボールを手に入れようとするようなものです。これらの小さな昆虫が問題を解決するために開発した効率的な方法は、溶媒除去のための生物にヒントを得た解決策につながる可能性があります。電子機器や廃棄物処理などの小規模な製造用途では、水は構造的に複雑な表面からすばやく離れます。」

昆虫がおしっこをするという事実だけでも説得力があります。 しかし、物理学のレンズを日常の微生物プロセスに適用することにより、研究者の研究は、目に見えるものを超えた小さな行動を評価するための新しい次元を明らかにしています.

「この研究は、好奇心主導の科学が価値あるものであるという考えを補強するものです」とシャリータは言いました。 「そして、生物学的システムにおける液滴の双曲線や、他の分野に応用できる物理学の英雄的な偉業など、非常に興味深いものを発見したという事実は、それをさらに魅力的なものにしています。」

参照: Elio J. Shalita、Prateek Segal、Rodrigo Krugner、Saad Bhamla 著「Superdroplet Propulsion in a Tightly Constrained Insect」、2023 年 2 月 28 日、こちらから入手可能。 ネイチャー・コミュニケーションズ.
DOI: 10.1038/s41467-023-36376-5