Ein schleuderndes Insekt bildet einen Urintropfen, bevor es ihn mit hoher Geschwindigkeit ausspuckt. Bildnachweis: Georgia Institute of Technology
Die winzigen Insekten, die als Scharfschützen bekannt sind, scheiden Urin aus, indem sie mit unglaublicher Beschleunigung Urintröpfchen ausspucken. Ihr Sekret ist das erste Beispiel für Superstimulation, das in einem biologischen System entdeckt wurde.
Saad wanderte in seinem Hinterhof, als er etwas bemerkte, das er noch nie zuvor gesehen hatte: einen urinierenden Käfer. Obwohl es kaum zu sehen war, bildete das Insekt einen fast perfekt runden Tropfen auf seinem Schwanz und schoss ihn dann mit einer solchen Geschwindigkeit davon, dass er zu verschwinden schien. Der kleine Käfer tröstete sich immer wieder stundenlang.
Es ist allgemein anerkannt, dass gezeigt werden muss, was passiert, daher konzentriert sich die Forschung in Bezug auf die Fluiddynamik bei Tieren weitgehend auf die Ernährung und nicht auf die Ausscheidung. Aber Bhamla, ein Assistenzprofessor an der School of Chemical and Biomolecular Engineering der Georgia Tech, hatte das Gefühl, dass das, was er sah, nicht unbedeutend war.
„Über die Fluiddynamik der Sekretion ist wenig bekannt, trotz ihres Einflusses auf die Morphologie, Energie und das Verhalten der Tiere“, sagte Bhamla. „Wir wollten sehen, ob dieses kleine Insekt irgendwelche cleveren technischen oder physikalischen Innovationen gemacht hat, um auf diese Weise zu urinieren.“
Zwei Scharfschützen auf einer Pflanze, die in Tropfen urinieren (volle Fahrt). Bildnachweis: Georgia Institute of Technology
Bhamla und Elio Challita, ein Doktorand der Bioingenieurwissenschaften, untersuchten, wie und warum Kannibalen mit Glasflügeln – winzige Schädlinge, die dafür berüchtigt sind, Krankheiten in Nutzpflanzen zu verbreiten – auf diese Weise ausscheiden. Mithilfe von computergestützter Strömungsdynamik und biophysikalischen Experimenten haben Forscher die Prinzipien der flüssigen, energetischen und biomechanischen Sekretion untersucht und gezeigt, wie ein Insekt, das kleiner als die Spitze eines kleinen Fingers ist, einen physikalischen und biotechnischen Durchbruch vollbringen kann – Superantrieb. Ihre Forschung wurde am 28. Februar 2023 in der Zeitschrift veröffentlicht
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.
Bei weiterer Beobachtung stellten sie fest, dass der Stift die Tröpfchen komprimiert und kurz vor der Freisetzung Energie aufgrund der Oberflächenspannung speichert. Um dies zu testen, platzierten die Forscher Wassertropfen auf einem Lautsprecher und komprimierten sie mit hoher Geschwindigkeit durch Vibrationen. Sie entdeckten, dass winzige Wassertröpfchen, wenn sie freigesetzt werden, aufgrund der inhärenten Oberflächenspannung Energie speichern. Und wenn der richtige Zeitpunkt gekommen ist, können die Tröpfchen mit extrem hohen Geschwindigkeiten abgeschossen werden.
Aber die Frage, warum Scharfschützen in Tropfen urinieren, blieb unbeantwortet. Die Ernährung besteht aus fast keinen Kalorien außer Xylem – einer nährstoffarmen Flüssigkeit, die nur Wasser und wenige Mineralien enthält. Sie trinken täglich bis zum 300-fachen ihres Körpergewichts an Xylemgewebe und müssen daher ständig trinken und ihre Ausscheidungen, die zu 99 % aus Wasser bestehen, effizient ausscheiden. Andererseits ernähren sich auch verschiedene Insekten ausschließlich von Xylemsaft, können diesen aber in kräftigen Strahlen ausscheiden.
Das Team schickte Scharfschützenproben an ein spezialisiertes Labor. Mikrocomputertomographie ermöglichte es Bhamla und Challita, die Morphologie von Cannabis zu untersuchen und Messungen aus dem Inneren der Insekten vorzunehmen. Sie nutzten die Informationen, um den Druck zu berechnen, den der Kannibale benötigt, um die Flüssigkeit durch seinen sehr kleinen Analkanal zu drücken, und um die zum Urinieren erforderliche Energiemenge zu bestimmen.
Ihre Forschung zeigt, dass der Tröpfchenausstoß mit Superantrieb als Strategie für Schützen dient, um Energie im Fütterungs-Ausscheidungszyklus zu sparen. Kannibalen stehen aufgrund ihrer geringen Größe und Energiebeschränkungen vor erheblichen Herausforderungen für die Fluiddynamik, und das Benetzen von Tröpfchen ist für sie die energieeffizienteste Methode zur Ausscheidung.
Scharfschütze auf Basilikumpflanze. Bildnachweis: Georgia Institute of Technology
Vielversprechende Anwendungen von Supertreibstoffen für Insekten
Die Untersuchung, wie Scharfschützen Hyperthrust verwenden, könnte auch Einblicke in die Entwicklung von Systemen geben, die das Anhaften und die Viskosität mit weniger Energie überwinden. Ein Beispiel sind tragbare elektronische Geräte mit geringem Stromverbrauch und Wasserausstoß, wie z. B. eine Smartwatch, die die Vibrationen der Lautsprecher nutzt, um Wasser vom Gerät abzustoßen.
„Der Gegenstand dieser Studie mag skurril und mystisch erscheinen, aber durch Untersuchungen wie diese gewinnen wir Einblicke in physikalische Prozesse in Größenordnungen, die über den Bereich unserer normalen menschlichen Erfahrung hinausgehen“, sagte Miriam Ashley Ross, Programmdirektorin in der Direktion von Biologie. Science bei der US National Science Foundation, die die Arbeit teilweise finanzierte. „Womit die Scharfschützen es zu tun haben, wird wie der Versuch sein, eine wasserballgroße Kugel Ahornsirup zu bekommen, die in unseren Händen steckt. Die effiziente Art und Weise, wie sich diese winzigen Insekten entwickelt haben, um das Problem zu lösen, könnte zu bioinspirierten Lösungen für die Entfernung von Lösungsmitteln führen in kleinen Fertigungsanwendungen wie Elektronik oder Entsorgung Wasser schnell von strukturell komplexen Oberflächen entfernen.“
Die bloße Tatsache, dass Insekten pinkeln, ist an sich schon überzeugend, vor allem, weil die Leute nicht viel davon halten. Aber indem sie die Linse der Physik auf einen alltäglichen mikrobiologischen Prozess anwenden, enthüllt die Arbeit der Forscher neue Dimensionen für die Wertschätzung kleiner Verhaltensweisen, die über das hinausgehen, was mit bloßem Auge sichtbar ist.
„Diese Arbeit bestärkt die Idee, dass von Neugier getriebene Wissenschaft wertvoll ist“, sagte Shallita. „Und die Tatsache, dass wir etwas so Faszinierendes entdeckt haben – die Übertreibung von Tröpfchen in einem biologischen System und Heldentaten der Physik, die auf anderen Gebieten Anwendung finden – macht es noch faszinierender.“
Referenz: „Superdroplet Propulsion in a Tightly Constrained Insect“ von Elio J. Shalita, Prateek Segal, Rodrigo Krugner und Saad Bhamla, 28. Februar 2023, hier verfügbar. Naturkommunikation.
DOI: 10.1038/s41467-023-36376-5
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