Это насекомое катапультирует мочу: ученые сообщают о рекорде

Это первый пример сверхдвижения в биологическом организме.

Новое исследование показало, что родственники цикад, известные как стекляннокрылые снайперы, могут катапультировать капли мочи на сверхвысоких скоростях, – первый известный пример «сверхдвижения» в природе.

В новом исследовании ученые рассмотрели поведение 1,2-сантиметровых насекомых – стекляннокрылых снайперов (Homalodisca vitripennis). Они питаются соком ксилемы, древесной части растения, которая выводит воду и растворенные питательные вещества из корней (в отличие от флоэмы, которая выводит сахар из корней в листья).

Диета снайперов на 95% состоит из воды и бедна питательными веществами. Таким образом, эти насекомые постоянно пьют ксилемный сок, чтобы насытиться. И, соответственно, они постоянно выводят потребляемую жидкость и мочатся. Очень много мочатся – объем мочи иногда превышает вес самих насекомых в 300 раз. Для сравнения, люди мочатся примерно на одну сороковую часть своего веса в день. 

Исследователи отметили, что хотя многое известно о механике приема пищи этими насекомыми, в представлении о физике их экскреции оставались белые пятна. Они сосредоточились на снайперах, чтобы увидеть, развили ли их маленькие тела какие-нибудь умные инновации, чтобы выделять мочу в таких невероятных количествах.

Ученые использовали высокоскоростное видео и микроскопию, чтобы проанализировать структуру на конце хвоста снайпера, технически названную анальным стилусом, или, как назвал его Бхамла, прикладную катапульту. Когда насекомое готово помочиться, игла на стилусе изгибается вниз, чтобы освободить место для капли мочи. Когда капля достигает оптимального размера, игла изгибается вниз еще больше, а затем, подобно катапульте, запускает ее прочь с большим ускорением.

Исследователи обнаружили, что игла перемещается со скоростью до 0,23 метра в секунду. Однако катапультируемые капли летят примерно на 40% быстрее, со скоростью до 0,32 м/с.

Открытие показывает, что снайперы умело используют эффект, называемый сверхдвижением, который ранее наблюдался только в искусственных условиях. С помощью сверхдвигателя эластичный снаряд движется быстрее, чем его стартовая площадка, из-за прироста энергии, который он получает от синхронизации своих движений с движениями стартовой площадки – подобно дайверу, рассчитывающему свой прыжок с трамплина.

В частности, ученые обнаружили, что игла сжимает капли, накапливая энергию в их поверхностном натяжении непосредственно перед запуском, чтобы помочь им катапультироваться на высоких скоростях.

Фото: Georgia Institute of Technology

Чтобы понять, почему снайперы катапультируют капли мочи, а не распыляют ее струями, исследователи использовали микро-КТ для анализа анатомии насекомых. Это помогло команде рассчитать давление и энергию, необходимые насекомым для мочеиспускания, и показало, что сверхдвигатели требуют в четыре-восемь раз меньше энергии, чем реактивные самолеты. Эти результаты могут помочь инженерам создавать устройства, которые действуют с меньшими затратами энергии.