Надшвидке метання сечею зекономило енергію цикадкам

Фізики довели енергоефективність способу сечовиділення, яким користуються цикадки. Стежачи за ними, вчені побачили, що комахи можуть метати краплі сечі з кінчика анального стилуса у надпропульсивному режимі зі швидкістю у 0,3 метра на секунду. Це вимагає менше витрат енергії, аніж якби цикадки виводили сечу струменем. Науковці експериментально відтворили процес сечовиділення комах та навіть знайшли йому застосування у розробці мікрофлюїдних пристроїв та захисті електроніки від вологи. Результати дослідження опубліковані у Nature Communications.

Цикадка Homalodisca vitripennis під час сечовиділення. Elio J. Challita et al. / Nature Communications, 2023

Цикадка Homalodisca vitripennis під час сечовиділення. Elio J. Challita et al. / Nature Communications, 2023

Чим увагу вчених привернуло сечовиділення цикадок?

Вживання їжі є такою ж важливою функцією для життєдіяльності, як і виділення відходів від харчування. Втім, якщо про харчування різних тварин відомо багато, то пов'язаним із виділенням процесам досліджень присвячено набагато менше, а надто таким мініатюрним тваринам як комахи. Заповнити цю прогалину вирішили науковці Технологічного інституту Джорджії та взялися вивчати комаху-снайпера Homalodisca vitripennis.

Homalodisca vitripennis — це вид напівтвердокрилих комах родини цикадок, які чудово пасують дослідженню сечовиділення. Вони живляться ксилемним соком, який на 95 відсотків складається з води, а тому вимагає від цикадок не лише ефективної травної системи, яка б фільтрувала поживні речовини, а і постійно виділяти багато сечі. Щодня вони відводять рідини стільки, що вона у 300 разів перевищує їх самих за масою.

Виводять її комахи через анальний стилус на кінчику тіла, з якого на високій швидкості відлітають краплі сечі. Через це Homalodisca vitripennis віднесли до комах-снайперів (sharpshooter insects). А фізики вирішили перевірити, чи допомагає метання сечею виживати цикадкам на такій низькокалорійній дієті.

Як комахи стріляють сечею?

За допомогою високошвидкісної камери вчені змогли дослідити кінематику метання крапель цикадками. Відстежуючи кут між анальним стилусом та віссю тіла комахи, науковці помітили, що процес сечовиділення включає три етапи: утворення краплі, пружинення стилуса та кидок.

Етапи сечовиділення у цикадок. Elio J. Challita et al. / Nature Communications, 2023

Етапи сечовиділення у цикадок. Elio J. Challita et al. / Nature Communications, 2023

У ході того, як крапля виростає до діаметра в 725 мікрометрів, стилус відхиляється приблизно на 15 градусів, що «заряджає» пружинний механізм із затиснутої між жорсткішими склеротизованими шарами м'якої структури. Відтак крапля відлітає з кінчика стилуса причому зі швидкістю, яка на 40 відсотків вища, ніж швидкість стилуса — 0,32 метра на секунду. Співвідношення швидкості стилуса до швидкості катапультування краплі вказує на надпропульсивний режим руху (superpropulsive regime). Щоб перевірити свою гіпотезу, фізики відтворили сечовиділення у цикадок за допомогою двопружинного осцилятора, створивши гідродинамічну модель метання сечею.

Мікроскопічне зображення анального стилуса цикадки, де щеленою стрілкою показане гнучке місце, що дозволяє стилусу вигинатися і пружинити. Elio J. Challita et al. / Nature Communications, 2023

Мікроскопічне зображення анального стилуса цикадки, де щеленою стрілкою показане гнучке місце, що дозволяє стилусу вигинатися і пружинити. Elio J. Challita et al. / Nature Communications, 2023

Що корисного винесли фізики?

Як експерименти, так і моделювання зійшлися з результатами спостережень за цикадками та показали, що краплі відлітають у надпропульсивному режимі. Причому роль у цьому грала не лише будова анального стилуса комахи, а і ефекти змочування, які фізики розрахували, експериментуючи з супергідрофобними поверхнями. Науковці дійшли висновку, що стилус цикадок має парагідрофобні властивості, які вберігають краплі сечі від передчасного скочування завдяки поверхневій адгезії, але не заважають їхньому відділенню завдяки високому куту змочування.

Уповільнене відео формування і кидка краплі сечі цикадкою. Elio J. Challita et al. / Nature Communications, 2023

Уповільнене відео формування і кидка краплі сечі цикадкою. Elio J. Challita et al. / Nature Communications, 2023

Крім того, дослідники оцінили енергетичний баланс цикадок з врахуванням калорійності їхнього харчування, витрат енергії на метаболізм, а також витрат на сечовиділення. Гідродинамічна модель показала, що для цих крихітних комах крапельне сечовиділення є енергетично дешевшим, аніж якби вони формували струмені. Таким чином їм вдається виживати навіть попри низьку енергетичну цінність їхнього харчування.

Надпропульсивний рух вже знайшов своє практичне використання. Отримані результати про рух крапель дослідники розраховують використати у розробці самоочисних поверхонь, наприклад, для захисту електроніки від забруднення, а також для мікро- та нанофлюїдних пристроїв. Самим же цикадкам метання сечею на великі відстані може допомагати переховуватися від хижаків.

Раніше ми розповідали, як математичне моделювання допомогло у вивченні кубічних фекалій вомбатів. З'ясувалося, форму вздовж осі кишечника допомагає створювати нерівномірність його стінок. Однак дізнатися, як фекалії вомбатів фрагментуються на кубики, фізикам в експериментах з крохмалем поки не вдалося.

надпропульсивний режим
Надпропульсивний режим вимагає синхронізації частоти виконавчого механізма (стилуса у цикадки) та власної частоти снаряду (краплі сечі), що деформується, поки поверхня під нею підіймається