Science >> Wetenschap >  >> Fysica

Het unieke urineren van cicaden ontsluit nieuw inzicht in de vloeistofdynamica

Krediet:Pixabay/CC0 Publiek Domein

Cicaden zijn de soundtrack van de zomer, maar hun plas is specialer dan hun muziek. In plaats van druppeltjes te strooien, stoten ze urinestralen uit hun kleine frame. Jarenlang wilden Georgia Tech-onderzoekers het unieke urineren van de cicade begrijpen.



Saad Bhamla, een assistent-professor aan de School of Chemical and Biochemical Engineering, en zijn onderzoeksgroep hoopten op een kans om de vloeistofuitscheiding van een cicade te bestuderen. Hoewel krekels gemakkelijk te horen zijn, verstoppen ze zich in bomen, waardoor ze moeilijk te observeren zijn. Als zodanig is het zien van een cicade-plas een gebeurtenis. Bhamla's team had het proces alleen op YouTube bekeken.

Tijdens veldwerk in Peru had het team geluk:ze zagen talloze krekels in een boom plassen.

Dit observatiemoment was voldoende om twee belangrijke paradigma's over insectenplassen te weerleggen. Ten eerste eten krekels xyleemsap, en de meeste xyleemvoeders plassen alleen in druppeltjes omdat het minder energie gebruikt om het sap uit te scheiden. Cicaden zijn echter zulke vraatzuchtige eters dat het afzonderlijk wegvegen van elke druppel plas te belastend zou zijn en niet genoeg voedingsstoffen uit het sap zou halen.

"De veronderstelling was dat als een insect overgaat van druppelvorming naar een straal, het meer energie nodig heeft omdat het insect meer snelheid zou moeten injecteren", zegt Elio Challita, een voormalig Ph.D. student in het laboratorium van Bhamla en huidig ​​postdoctoraal onderzoeker aan de Harvard University.

Samenvatting van bevindingen. Credit:Georgia Tech (Saad Bhamla/Elio Challita)

Ten tweede wordt van kleinere dieren verwacht dat ze in druppeltjes plassen omdat hun opening te klein is om iets dikker uit te stoten. Vanwege het grotere formaat van krekels, met een spanwijdte die kan wedijveren met die van een kleine kolibrie, gebruiken ze minder energie om urine in jets te verdrijven.

"Eerder werd begrepen dat als een klein dier waterstralen wil uitstoten, dit een beetje een uitdaging wordt, omdat het dier meer energie verbruikt om de vloeistof met een hogere snelheid naar buiten te dwingen. Dit komt door oppervlaktespanning en stroperige krachten. Maar een groter dier kan vertrouwen op de zwaartekracht en traagheidskrachten om te plassen,' zei Challita.

Het vermogen van de krekels om water te spuiten bood de onderzoekers een nieuw inzicht in hoe de vloeistofdynamica deze kleine insecten en zelfs grote zoogdieren beïnvloedt. De onderzoekers publiceerden deze uitdaging voor het paradigma als een korte samenvatting, 'Unifying Fluidic Excretion Across Life from Cicadas to Elephants', in Proceedings of the National Academy of Sciences .

Cicaden plassen. Credit:Georgia Tech (Saad Bhamla/Elio Challita)

De onderzoeksgroep bestudeert al jaren de vloeistofuitstoot bij verschillende soorten, met als hoogtepunt een arXiv preprint die dit fenomeen karakteriseert, van microscopisch kleine schimmels tot kolossale walvissen. Hun raamwerk onthult diverse functies, zoals uitscheiding, het sproeien van gif, het jagen op prooien, de verspreiding van sporen en het strippen van planten, waarbij potentiële toepassingen in zachte robotica, additieve productie en medicijnafgifte worden benadrukt.

Cicaden zijn het kleinste dier dat hogesnelheidsjets maakt, dus ze kunnen mogelijk informatie opleveren voor toepassingen bij het maken van jets in kleine robots/spuitmonden. En omdat hun populatie biljoenen bedraagt, is de impact op het ecosysteem van hun vloeistofuitstoot substantieel maar onbekend. Naast bio-geïnspireerde techniek gelooft Bhamla dat de beestjes ook kunnen bijdragen aan toepassingen voor biomonitoring.

"Ons onderzoek heeft de uitscheidingspatronen van dieren in kaart gebracht, variërend van acht schaalorden, van kleine krekels tot enorme olifanten", zei hij.

“We hebben de fundamentele beperkingen en krachten geïdentificeerd die deze processen dicteren, waardoor we een nieuwe lens bieden waarmee we de principes van uitscheiding kunnen begrijpen, een cruciale functie van alle levende systemen. Dit werk verdiept niet alleen ons begrip van biologische functies, maar effent ook de manier om de onderliggende principes die de essentiële processen van het leven beheersen, te verenigen."

Meer informatie: Elio J. Challita en M. Saad Bhamla, Het verenigen van de vloeibare uitscheiding in het hele leven, van krekels tot olifanten, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2317878121. doi.org/10.1073/pnas.2317878121

Journaalinformatie: Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen , arXiv

Aangeboden door Georgia Institute of Technology