슬링 곤충은 빠른 속도로 그것을 분출하기 전에 한 방울의 소변을 형성합니다. 크레딧: 조지아 공과대학
저격수로 알려진 작은 곤충은 엄청난 가속력으로 소변 방울을 분출하여 배설합니다. 그들의 분비는 생물학적 시스템에서 발견된 초자극의 첫 번째 예입니다.
Saad는 뒤뜰에서 하이킹을 하다가 한 번도 본 적이 없는 것을 발견했습니다. 벌레가 오줌을 누는 것이었습니다. 거의 볼 수 없었지만 곤충은 꼬리에 거의 완벽하게 둥근 물방울을 형성한 다음 사라지는 것처럼 빠른 속도로 쏘았습니다. 작은 벌레는 몇 시간 동안 계속해서 스스로를 위로하고 있었습니다.
들어가는 것이 보여야 한다는 것이 일반적으로 인정되기 때문에 동물의 유체 역학에 관한 연구는 주로 배설보다는 영양에 초점을 맞춥니다. 하지만 조지아 공대(Georgia Tech)의 화학 및 생체 분자 공학 대학의 조교수인 Bhamla는 자신이 본 것이 사소하지 않다는 직감을 느꼈습니다.
Bhamla는 “동물의 형태, 에너지 및 행동에 미치는 영향에도 불구하고 분비의 유체 역학에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다.”라고 말했습니다. “우리는 이 작은 곤충이 이런 방식으로 소변을 보기 위해 영리한 공학적 또는 물리학적 혁신을 이루었는지 알아보고 싶었습니다.”
방울로 소변을 보는 식물에 대한 두 명의 저격수(최대 속도). 크레딧: 조지아 공과대학
Bhamla와 생명공학 대학원생인 Elio Challita는 작물에 질병을 퍼뜨리는 것으로 악명 높은 작은 해충인 유리 날개 식인종이 어떻게 그리고 왜 배설하는지 조사했습니다. 전산유체역학과 생물물리학 실험을 사용하여 연구자들은 유체, 생물 및 생체역학적 분비의 원리를 연구하여 새끼 손가락 끝보다 작은 곤충이 어떻게 물리학 및 생명 공학 위업인 초추진을 수행하는지 밝혀냈습니다. 그들의 연구는 2023년 2월 28일 저널에 게재되었습니다.
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.
추가 관찰을 통해 그들은 펜이 액적을 압축하여 방출 직전에 표면 장력으로 인해 에너지를 저장한다는 것을 발견했습니다. 이를 테스트하기 위해 연구자들은 스피커에 물방울을 놓고 진동을 사용하여 고속으로 압축했습니다. 그들은 작은 물방울이 방출될 때 고유한 표면 장력으로 인해 에너지를 저장한다는 것을 발견했습니다. 그리고 시간이 맞으면 물방울을 매우 빠른 속도로 발사할 수 있습니다.
그러나 저격수가 방울로 소변을 보는 이유에 대한 질문은 답이 없었습니다. 식단은 물과 미네랄이 거의 없는 영양이 부족한 액체인 물관부를 제외하고 칼로리가 거의 없습니다. 그들은 하루에 목부 조직에서 체중의 300배까지 물을 마시므로 지속적으로 물을 마시고 99%가 물인 유출물을 효율적으로 배설해야 합니다. 한편, 다양한 곤충도 물관부 수액만을 먹고 살지만 강력한 분출구로 배설할 수 있습니다.
팀은 저격 샘플을 전문 실험실로 보냈습니다. 미세 컴퓨터 단층 촬영을 통해 Bhamla와 Challita는 대마초 형태를 연구하고 곤충 내부에서 측정할 수 있었습니다. 그들은 이 정보를 사용하여 식인종이 매우 작은 항문관을 통해 체액을 밀어내는 데 필요한 압력을 계산하고 소변을 보는 데 필요한 에너지의 양을 결정했습니다.
그들의 연구에 따르면 초강력 비말 방출은 저격수가 먹이-배설 주기에서 에너지를 보존하기 위한 전략 역할을 합니다. 식인종은 작은 크기와 에너지 제한으로 인해 상당한 유체 역학 문제에 직면하고 있으며 물방울을 적시는 것이 배설하는 데 가장 에너지 효율적인 방법입니다.
바질 공장에 저격수. 크레딧: 조지아 공과대학
곤충 슈퍼 추진제의 유망한 응용
저격수가 하이퍼스러스트를 사용하는 방법을 연구하면 적은 에너지를 사용하여 점착성과 점도를 극복하는 시스템을 설계하는 방법에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 한 가지 예는 스피커의 진동을 사용하여 장치에서 물을 밀어내는 스마트 워치와 같은 저전력 물 분사 웨어러블 전자 장치입니다.
“이 연구의 주제는 기발하고 신비스러워 보일 수 있지만 이와 같은 조사를 통해 우리는 정상적인 인간 경험의 범위를 넘어서는 규모의 물리적 프로세스에 대한 통찰력을 얻습니다.”라고 Directorate of Directorate의 Miriam Ashley Ross는 말했습니다. 생물학. 이 작업에 부분적으로 자금을 지원한 미국 국립 과학 재단의 과학. “저격수들이 다루는 것은 우리 손에 꽂힌 비치볼 크기의 메이플 시럽 공을 얻으려고 하는 것과 같을 것입니다. 이 작은 곤충들이 문제를 해결하기 위해 개발한 효율적인 방법은 용제 제거를 위한 생체 영감 솔루션으로 이어질 수 있습니다. 전자 제품 또는 폐기와 같은 소규모 제조 응용 분야에서 물은 구조적으로 복잡한 표면에서 빠르게 떨어져 나옵니다.”
곤충이 소변을 본다는 단순한 사실은 그 자체로 설득력이 있는데, 대부분 사람들이 그것에 대해 많이 생각하지 않기 때문입니다. 그러나 물리학의 렌즈를 매일의 미생물학적 과정에 적용함으로써 연구원들의 작업은 눈에 보이는 것 이상으로 작은 행동을 감상할 수 있는 새로운 차원을 보여줍니다.
“이 작업은 호기심이 주도하는 과학이 가치 있다는 생각을 강화합니다.”라고 Shallita는 말했습니다. “그리고 우리가 매우 흥미로운 것을 발견했다는 사실, 즉 생물학적 시스템에서 물방울의 과장과 다른 분야에 응용할 수 있는 물리학의 영웅적인 위업을 발견했다는 사실은 그것을 더욱 매력적으로 만듭니다.”
참조: 2023년 2월 28일 Elio J. Shalita, Prateek Segal, Rodrigo Krugner 및 Saad Bhamla의 “긴밀하게 구속된 곤충의 Superdroplet 추진”, 여기에서 볼 수 있습니다. 네이처 커뮤니케이션즈.
DOI: 10.1038/s41467-023-36376-5
