Крошечные насекомые, известные как снайперы, испражняются, катапультируя капли мочи с невероятной скоростью. Их выделение является первым примером сверхдвижения, обнаруженным в биологической системе.
Саад Бхамла был на своем заднем дворе, когда заметил то, чего никогда раньше не видел: мочащееся насекомое. Хотя это почти невозможно увидеть, насекомое сформировало почти идеально круглую каплю на своем хвосте, а затем отбросило ее так быстро, что она, казалось, исчезла. Крошечное насекомое неоднократно справляло нужду в течение нескольких часов.
Обычно считается само собой разумеющимся, что то, что поступает внутрь, должно выходить наружу, поэтому, когда речь идет о динамике жидкости у животных, исследования в основном сосредоточены на питании, а не на выделении. Но Бхамла, доцент Школы химической и биомолекулярной инженерии в Технологическом институте Джорджии (Технологический институт Джорджии), догадывался, что увиденное не было тривиальным.
«Мало что известно о динамике экскреции жидкости, несмотря на ее влияние на морфологию, энергетику и поведение животных», — сказал Бхамла. «Мы хотели посмотреть, придумало ли это крошечное насекомое какие-нибудь умные инженерные или физические инновации, чтобы мочиться таким образом».
Бхамла и Элио Чаллита, аспирант-биоинженер, исследовали, как и почему стекловиднокрылые снайперы — крошечные вредители, печально известные тем, что распространяют болезни на сельскохозяйственных культурах, — выделяют именно то, что они делают. Используя вычислительную гидродинамику и биофизические эксперименты, исследователи изучили гидродинамические, энергетические и биомеханические принципы экскреции, показав, как насекомое размером меньше кончика мизинца совершает подвиг физики и биоинженерии — сверхдвижение. Их исследование, опубликованное 28 февраля 2023 года в журнале Nature Communications, является первым наблюдением и объяснением этого явления в биологической системе.
«Мало что известно о гидродинамике экскреции, несмотря на ее влияние на морфологию, энергетику и поведение животных». - Саад Бхамла
Маленький, но могучий: наблюдение за выделениями насекомых
Исследователи использовали высокоскоростное видео и микроскопию, чтобы точно наблюдать за тем, что происходит на хвостовой части насекомого. Сначала они определили роль очень важного биофизического инструмента, называемого анальным стилусом, или, как выразился Бхамла, «мерцанием приклада».
Чаллита и Бхамла заметили, что, когда снайпер готов помочиться, анальная игла поворачивается из нейтрального положения назад, освобождая место, когда насекомое выдавливает жидкость. Капля формируется и постепенно растет по мере того, как игла остается под одним и тем же углом. Когда капля приближается к своему оптимальному диаметру, игла поворачивается еще дальше назад примерно на 15 градусов, а затем, подобно плавникам на автомате для игры в пинбол, запускает каплю с невероятной скоростью. Стилус может ускоряться более чем на 40G — в 10 раз выше, чем у самых быстрых спортивных автомобилей.
«Мы поняли, что это насекомое эффективно развило пружину и рычаг, как катапульту, и что оно может использовать эти инструменты, чтобы многократно выбрасывать капли мочи с большими ускорениями», — сказал Чаллита.
Затем исследователи измерили скорость движения анального стилуса и сравнили их со скоростью капель. Они сделали загадочное наблюдение: скорость капель в воздухе была выше скорости анального стилуса, который ими щелкал. Они ожидали, что капли будут двигаться с той же скоростью, что и анальная игла, но капли запускались со скоростью в 1,4 раза быстрее, чем сама игла. Соотношение скоростей предполагало наличие сверхдвижения - принцип, ранее проявлявшийся только в синтетических системах, в которых упругий снаряд получает прирост энергии, когда время его запуска совпадает со временем снаряда, как дайвер рассчитывает свой прыжок с трамплина.
При дальнейшем наблюдении они обнаружили, что игла сжимает капли, накапливая энергию из-за поверхностного натяжения непосредственно перед запуском. Чтобы проверить это, исследователи поместили капли воды на аудиодинамик, используя вибрации для их сжатия на высоких скоростях. Они обнаружили, что в крошечных масштабах, когда капли воды запускаются, они накапливают энергию из-за присущего поверхностного натяжения. И если правильно рассчитать время, капли могут запускаться с чрезвычайно высокой скоростью.
Но вопрос, почему снайперы мочатся каплями, так и остался без ответа. Почти нулевая калорийность снайперского рациона состоит только из ксилемного сока растений — жидкости с дефицитом питательных веществ, содержащей только воду и небольшое количество минералов. Они выпивают в 300 раз больше своего веса ксилемного сока в день, и поэтому им необходимо постоянно пить и эффективно выделять жидкие отходы, которые на 99% состоят из воды. С другой стороны, различные насекомые также питаются исключительно ксилемным соком, но могут выделять мощные струи.
Команда отправила образцы снайпера в специализированную лабораторию. МикроКТ-сканирование позволило Бхамле и Чаллите изучить морфологию снайпера и провести измерения изнутри насекомых. Они использовали эту информацию для расчета давления, необходимого снайперу для проталкивания жидкости через очень маленький анальный канал, определяя, сколько энергии требуется снайперу для мочеиспускания.
Их исследование показывает, что сверхмощный выброс капель служит для снайперов стратегией сохранения энергии в течение цикла кормления-выделения. Снайперы сталкиваются с серьезными проблемами гидродинамики из-за своего небольшого размера и ограниченной энергии, а мочеиспускание каплями является для них наиболее энергоэффективным способом выделения.
Многообещающие приложения для супердвижения насекомых
Изучение того, как снайперы используют супердвижение, также может дать представление о том, как проектировать системы, которые преодолевают сцепление и вязкость с меньшими затратами энергии. Одним из примеров является маломощная носимая электроника с выбросом воды, такая как смарт-часы, которые используют вибрации динамика для отталкивания воды от устройства.
«Предмет этого исследования может показаться причудливым и эзотерическим, но именно благодаря таким исследованиям мы получаем представление о физических процессах в масштабах, выходящих за пределы нашего обычного человеческого опыта», — сказала Мириам Эшли-Росс, программный директор Управления биологических исследований. наук в Национальном научном фонде США, который частично финансировал работу. «То, с чем имеют дело снайперы, похоже на то, как мы пытаемся отбросить шарик кленового сиропа размером с пляжный мяч, прилипший к нашей руке. Эффективный метод, который разработали эти крошечные насекомые для решения проблемы, может привести к биологическим решениям для удаления растворителей в микропроизводственных приложениях, таких как электроника, или для быстрого удаления воды со структурно сложных поверхностей».
Сам факт того, что насекомые мочатся, убедителен сам по себе, в основном потому, что люди не часто об этом задумываются. Но, применяя линзу физики к повседневному миниатюрному биологическому процессу, работа исследователей раскрывает новые возможности для оценки мелкого поведения, выходящего за рамки того, что кажется на первый взгляд.
«Эта работа подтверждает идею о ценности науки, основанной на любопытстве», — сказал Чаллита. «И тот факт, что мы открыли что-то настолько интересное — сверхдвижение капель в биологической системе и героические подвиги физики, которые имеют применение в других областях, — делает это еще более захватывающим».
No comments:
Post a Comment