Slīdošs kukainis veido urīna pilienu, pirms to lielā ātrumā izspiež. Kredīts: Džordžijas Tehnoloģiju institūts
Sīkie kukaiņi, kas pazīstami kā snaiperi, izdalās, izspiežot urīna pilienus ar neticamu paātrinājumu. Viņu sekrēcija ir pirmais superstimulācijas piemērs, kas atklāts bioloģiskajā sistēmā.
Sāds gāja pārgājienā savā pagalmā, kad pamanīja kaut ko, ko nekad iepriekš nebija redzējis: urinējošu kukaiņu. Lai gan to bija gandrīz neiespējami redzēt, kukainis uz astes izveidoja gandrīz ideāli apaļu pilienu un pēc tam izšāva to ar tādu ātrumu, ka šķita, ka tas pazūd. Mazais blakts stundām ilgi mierināja sevi atkal un atkal.
Ir vispāratzīts, ka tam, kas nonāk iekšā, ir jāparādās, tāpēc, runājot par šķidruma dinamiku dzīvniekiem, pētījumi galvenokārt ir vērsti uz uzturu, nevis izdalīšanos. Bet Bhamla, Džordžijas Tehnikas (Georgia Tech) Ķīmiskās un biomolekulārās inženierijas skolas docents, nojauta, ka tas, ko viņš redzēja, nav mazsvarīgs.
“Maz ir zināms par sekrēcijas šķidruma dinamiku, neskatoties uz tās ietekmi uz dzīvnieku morfoloģiju, enerģiju un uzvedību,” sacīja Bhamla. “Mēs gribējām redzēt, vai šis mazais kukainis ir ieviesis kādus gudrus inženierijas vai fizikas jauninājumus, lai šādā veidā urinētu.”
Divi snaiperi uz auga, kas urinē pa pilieniem (pilnā ātrumā). Kredīts: Džordžijas Tehnoloģiju institūts
Bhamla un Elio Čalita, bioinženieru maģistrantūras students, pētīja, kā un kāpēc stikla spārnotie kanibāli — sīki kaitēkļi, kas bēdīgi slaveni ar slimību izplatību kultūraugos — izvadās tā, kā to dara. Izmantojot skaitļošanas šķidruma dinamiku un biofizikālos eksperimentus, pētnieki pētīja šķidruma, biotiskās un biomehāniskās sekrēcijas principus, atklājot, kā kukainis, kas ir mazāks par sārta pirksta galu, veic fizikas un bioinženierijas varoņdarbu – superdzinēju. Viņu pētījumi tika publicēti žurnālā 2023. gada 28. februārī
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.
Pēc turpmākiem novērojumiem viņi atklāja, ka pildspalva saspiež pilienus, saglabājot enerģiju virsmas spraiguma dēļ tieši pirms atbrīvošanas. Lai to pārbaudītu, pētnieki ievietoja ūdens pilienus uz skaļruņa, izmantojot vibrācijas, lai tos saspiestu lielā ātrumā. Viņi atklāja, ka, izlaižot sīkus ūdens pilienus, tie uzglabā enerģiju raksturīgā virsmas spraiguma dēļ. Un, ja ir īstais laiks, pilienus var palaist ārkārtīgi lielā ātrumā.
Taču jautājums, kāpēc snaiperi urinē pa lāsēm, palika neatbildēts. Diēta nesatur gandrīz nekādas kalorijas, izņemot ksilēmu – barības vielu nabadzīgu šķidrumu, kas satur tikai ūdeni un nedaudz minerālvielu. Viņi dzer līdz pat 300 reižu vairāk par savu ķermeņa svaru ksilēma audos dienā, un tāpēc viņiem ir pastāvīgi un efektīvi jāizvada notekūdeņi, kas ir 99% ūdens. No otras puses, dažādi kukaiņi arī barojas tikai ar ksilēmu sulu, bet var izdalīties spēcīgās strūklās.
Komanda nosūtīja snaiperu paraugus uz specializētu laboratoriju. Mikrodatortomogrāfija ļāva Bhamlai un Čalitai pētīt kaņepju morfoloģiju un veikt mērījumus no kukaiņu iekšpuses. Viņi izmantoja informāciju, lai aprēķinātu spiedienu, kas vajadzīgs, lai kanibāls izspiestu šķidrumu caur ļoti mazo anālo kanālu, un lai noteiktu urinēšanai nepieciešamo enerģijas daudzumu.
Viņu pētījumi atklāj, ka superpiedziņas pilienu izmešana kalpo kā stratēģija šāvējiem, lai taupītu enerģiju barošanas un izdalīšanās ciklā. Kanibāli saskaras ar ievērojamām šķidruma dinamiskām problēmām to mazā izmēra un enerģijas ierobežojumu dēļ, un pilienu mitrināšana ir energoefektīvākā izvadīšanas metode.
Snaiperis uz bazilika auga. Kredīts: Džordžijas Tehnoloģiju institūts
Daudzsološi kukaiņu superpropelantu pielietojumi
Pētot to, kā snaiperi izmanto hipergrūdi, varētu arī gūt ieskatu par to, kā izveidot sistēmas, kas pārvarētu pielipšanu un viskozitāti, izmantojot mazāk enerģijas. Viens no piemēriem ir mazjaudas, ūdeni izvadošas valkājamas elektroniskas ierīces, piemēram, viedpulkstenis, kas izmanto skaļruņu vibrācijas, lai atvairītu ūdeni no ierīces.
“Šī pētījuma priekšmets var šķist dīvains un mistisks, taču, veicot šādus pētījumus, mēs gūstam ieskatu fiziskajos procesos, kas pārsniedz mūsu parastās cilvēka pieredzes diapazonu,” sacīja Mirjama Ešlija Rosa, ASV direktorāta programmu direktore. Bioloģija. Zinātne ASV Nacionālajā zinātnes fondā, kas daļēji finansēja darbu. “Tas, ar ko snaiperi nodarbojas, būs kā mēģinājums iegūt pludmales bumbas lieluma kļavu sīrupa bumbiņu, kas bija iestrēdzis mūsu rokās. Šo sīko kukaiņu efektīvais veids, kā atrisināt problēmu, var novest pie bioloģiski iedvesmotiem risinājumiem šķīdinātāju noņemšanai nelielos ražošanas lietojumos, piemēram, elektronikā vai iznīcināšanā. Ūdens ātri nokļūst no strukturāli sarežģītām virsmām.
Tas vien, ka kukaiņi urinē, pats par sevi ir pārliecinošs, galvenokārt tāpēc, ka cilvēki par to daudz nedomā. Taču, piemērojot fizikas objektīvu ikdienas mikrobioloģiskajam procesam, pētnieku darbs atklāj jaunas dimensijas, lai novērtētu mazu uzvedību, kas pārsniedz to, kas redzams acīs.
“Šis darbs pastiprina domu, ka zinātkāres vadīta zinātne ir vērtīga,” sacīja Šalita. “Un fakts, ka mēs esam atklājuši kaut ko tik intriģējošu – pilienu hiperbolizēšanu bioloģiskajā sistēmā un varonīgus fizikas varoņdarbus, kas ir pielietojami citās jomās – padara to vēl aizraujošāku.”
Atsauce: Elio J. Šalita, Prateks Segals, Rodrigo Krugners un Saads Bhamla “Superpilienu dzinējspēks cieši ierobežotā kukaiņā”, 2023. gada 28. februāris, pieejams šeit. Dabas sakari.
DOI: 10.1038/s41467-023-36376-5
