Cikador är sommarens soundtrack, men deras kiss är mer speciell än deras musik. Istället för att sprinkla droppar avger de urinstrålar från sina små ramar. Georgia Tech-forskare har i flera år velat förstå cikadans unika urinering.
Saad Bhamla, biträdande professor vid School of Chemical and Biochemical Engineering, och hans forskargrupp hoppades på en möjlighet att studera en cikadans vätskeutsöndring. Men medan cikador är lätt hörda, gömmer de sig i träd, vilket gör dem svåra att observera. Som sådan är det en händelse att se en cikada kissa. Bhamlas team hade bara sett processen på YouTube.
Sedan, medan de gjorde fältarbete i Peru, hade teamet tur:de såg många cikador i ett träd som kissade.
Detta ögonblick av observation räckte för att motbevisa två huvudparadigm för insektkiss. För det första äter cikador xylemsav, och de flesta xylemmatare kissar bara i droppar eftersom det använder mindre energi för att utsöndra saften. Cikador är dock så glupska ätare att individuellt snärta bort varje droppe kiss skulle vara för påfrestande och skulle inte utvinna tillräckligt med näringsämnen från juicen.
"Antagandet var att om en insekt övergår från droppbildning till en stråle, kommer den att kräva mer energi eftersom insekten skulle behöva injicera mer hastighet", säger Elio Challita, en före detta Ph.D. student i Bhamlas labb och nuvarande postdoktor vid Harvard University.
För det andra förväntas mindre djur att kissa i droppar eftersom deras öppning är för liten för att avge något tjockare. På grund av cikadornas större storlek – med vingspann som kan konkurrera med en liten kolibri – använder de mindre energi för att driva ut kissa i jetstrålar.
"Tidigare förstod man att om ett litet djur vill spruta ut vattenstrålar, så blir detta lite utmanande, eftersom djuret förbrukar mer energi för att tvinga ut vätskan med en högre hastighet. Detta beror på ytspänning och trögflytande krafter. Men ett större djur kan lita på gravitation och tröghetskrafter för att kissa," sa Challita.
Cikadornas förmåga att spruta vatten erbjöd forskarna en ny förståelse för hur vätskedynamik påverkar dessa små insekter – och till och med stora däggdjur. Forskarna publicerade denna utmaning till paradigmet som en kortfattad, "Unifying Fluidic Excretion Across Life from Cicadas to Elephants", i Proceedings of the National Academy of Sciences .
I flera år har forskargruppen studerat vätskeutstötning mellan arter, vilket kulminerade i en arXiv preprint som kännetecknar detta fenomen från mikroskopiska svampar till kolossala valar. Deras ramverk avslöjar olika funktioner – som utsöndring, giftsprejning, jakt på bytesdjur, spridning av sporer och växtgutation – vilket framhäver potentiella tillämpningar inom mjuk robotik, additiv tillverkning och läkemedelstillförsel.
Cikador är det minsta djuret som skapar höghastighetsstrålar, så de kan potentiellt informera applikationer för att tillverka jetstrålar i små robotar/munstycken. Och eftersom deras befolkning når biljoner, är ekosystempåverkan av deras vätskeutstötning betydande men okänd. Utöver bioinspirerad ingenjörskonst, tror Bhamla att djuren också kan informera bioövervakningsapplikationer.
"Vår forskning har kartlagt djurens utsöndringsmönster, som spänner över åtta skalordningar från små cikador till massiva elefanter", sa han.
"Vi har identifierat de grundläggande begränsningarna och krafterna som dikterar dessa processer, och erbjuder en ny lins genom vilken vi kan förstå principerna för utsöndring, en kritisk funktion för alla levande system. Detta arbete fördjupar inte bara vår förståelse av biologiska funktioner utan banar också för sätt att förena de underliggande principerna som styr livets väsentliga processer."
Mer information: Elio J. Challita och M. Saad Bhamla, Förenande flytande utsöndring genom livet från cikader till elefanter, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2317878121. doi.org/10.1073/pnas.2317878121
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences , arXiv
Tillhandahålls av Georgia Institute of Technology
