Keskin nişancı olarak bilinen minik böcekler, inanılmaz bir hızlanma ile idrar damlacıkları kusarak salgılarlar. Salgıları, biyolojik bir sistemde keşfedilen ilk süper uyarım örneğidir.
Saad, daha önce hiç görmediği bir şey fark ettiğinde arka bahçesinde yürüyüş yapıyordu: işeyen bir böcek. Görmek neredeyse imkansız olmasına rağmen, böcek kuyruğunda neredeyse mükemmel yuvarlak bir damlacık oluşturdu ve sonra onu öyle bir hızla fırlattı ki yok olmuş gibi oldu. Küçük böcek saatlerce kendini teselli ediyordu.
Genel olarak içeri girenlerin gösterilmesi gerektiği kabul edilir, bu nedenle hayvanlarda sıvı dinamikleri söz konusu olduğunda, araştırmalar büyük ölçüde boşaltımdan çok beslenmeye odaklanır. Ancak Georgia Tech’teki (Georgia Tech) Kimya ve Biyomoleküler Mühendislik Koleji’nde yardımcı doçent olan Bhamla, gördüğü şeyin önemsiz olmadığına dair bir önseziye sahipti.
Bhamla, “Hayvanların morfolojisi, enerjisi ve davranışı üzerindeki etkisine rağmen, salgılamanın akışkan dinamikleri hakkında çok az şey biliniyor.” Dedi. “Bu küçük böceğin bu şekilde işemek için herhangi bir akıllı mühendislik veya fizik yeniliği yapıp yapmadığını öğrenmek istedik.”
Biyomühendislik yüksek lisans öğrencisi Bhamla ve Elio Challita, cam kanatlı yamyamların (ekinlerde hastalık yaymakla ünlü küçük haşereler) nasıl ve neden bu şekilde salgıladıklarını araştırdılar. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği ve biyofiziksel deneyler kullanan araştırmacılar, sıvı, biyotik ve biyomekanik salgı ilkelerini incelediler ve serçe parmağın ucundan daha küçük bir böceğin fizik ve biyomühendislikte süper itiş gücünde nasıl bir çığır açtığını ortaya çıkardılar. Araştırmaları 28 Şubat 2023 tarihli dergide yayınlandı.
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.”
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.
Daha fazla gözlem üzerine, kalemin damlacıkları sıkıştırdığını ve serbest bırakılmadan hemen önce yüzey gerilimi nedeniyle enerji depoladığını buldular. Bunu test etmek için araştırmacılar, yüksek hızlarda sıkıştırmak için titreşimleri kullanarak bir hoparlöre su damlacıkları yerleştirdiler. Küçük su damlacıklarının serbest bırakıldığında, doğal yüzey gerilimi nedeniyle enerji depoladıklarını keşfettiler. Ve eğer zaman doğruysa, damlacıklar son derece yüksek hızlarda fırlatılabilir.
Ancak keskin nişancıların neden damlalara işediği sorusu cevapsız kaldı. Diyet, yalnızca su ve az miktarda mineral içeren, besin açısından zayıf bir sıvı olan ksilem dışında neredeyse hiç kalori içermez. Günde vücut ağırlıklarının 300 katına kadar ksilem dokusu içerler ve bu nedenle atıklarını %99 su olan sürekli ve verimli bir şekilde dışarı atmaları gerekir. Öte yandan, çeşitli böcekler de yalnızca ksilem özsuyu ile beslenir, ancak güçlü jetlerle dışarı atılabilir.
Ekip, keskin nişancı örneklerini özel bir laboratuvara gönderdi. Mikrobilgisayarlı tomografi, Bhamla ve Challita’nın esrar morfolojisini incelemesine ve böceklerin içinden ölçümler almasına olanak sağladı. Bilgileri, bir yamyamın sıvıyı çok küçük anal kanalından itmesi için gereken basıncı hesaplamak ve idrar yapmak için gereken enerji miktarını belirlemek için kullandılar.
Araştırmaları, süper tahrikli damlacık fırlatmanın, atıcılar için beslenme-dışkı döngüsünde enerji tasarrufu sağlamak için bir strateji işlevi gördüğünü ortaya koyuyor. Yamyamlar, küçük boyutları ve enerji sınırlamaları nedeniyle önemli akışkan dinamiği zorluklarıyla karşı karşıyadır ve damlacıkları ıslatmak, onlar için salgılamaları için enerji açısından en verimli yöntemdir.
Böcek süper iticilerinin umut verici uygulamaları
Keskin nişancıların hiper itmeyi nasıl kullandıklarını incelemek, daha az enerji kullanarak yapışma ve viskozitenin üstesinden gelen sistemlerin nasıl tasarlanacağına dair içgörüler sağlayabilir. Bir örnek, cihazdan suyu itmek için hoparlörlerin titreşimlerini kullanan bir akıllı saat gibi düşük güçlü, su püskürten giyilebilir elektronik cihazlardır.
Programlar Direktörü Miriam Ashley Ross, “Bu çalışmanın konusu tuhaf ve mistik görünebilir, ancak bunun gibi araştırmalar yoluyla, fiziksel süreçler hakkında normal insan deneyimimizin sınırlarının ötesinde içgörüler elde ediyoruz” dedi. Biyoloji. Çalışmayı kısmen finanse eden ABD Ulusal Bilim Vakfı’ndaki bilim. “Keskin nişancıların uğraştığı şey, elimize yapışmış deniz topu büyüklüğünde bir akçaağaç şurubu topunu almaya çalışmak gibi olacak. Bu küçük böceklerin sorunu çözmek için geliştirdikleri etkili yol, solvent giderme için biyo-ilhamlı çözümlere yol açabilir. elektronik veya bertaraf gibi küçük imalat uygulamalarında Su, yapısal olarak karmaşık yüzeylerden hızla çıkar.
Böceklerin işediği gerçeği, çoğunlukla insanlar bunu pek düşünmediği için kendi başına zorlayıcıdır. Ancak araştırmacıların çalışması, fiziğin merceğini günlük bir mikrobiyolojik sürece uygulayarak, gözle görülenin ötesindeki küçük davranışları takdir etmek için yeni boyutlar ortaya koyuyor.
Shallita, “Bu çalışma, merak odaklı bilimin değerli olduğu fikrini pekiştiriyor” dedi. “Ve çok ilgi çekici bir şey keşfettiğimiz gerçeği – biyolojik bir sistemdeki damlacıkların abartılması ve fiziğin başka alanlarda uygulamaları olan kahramanca becerileri – onu daha da büyüleyici kılıyor.”
Referans: Elio J. Shalita, Prateek Segal, Rodrigo Krugner ve Saad Bhamla, 28 Şubat 2023, Burada Bulunan “Sıkı Kısıtlanmış Bir Böcekte Süper Damlacık İtkisi”. Doğa İletişimi.
DOI: 10.1038/s41467-023-36376-5
“Pop kültürkolik. Web nerd. Sadık sosyal medya uygulayıcısı. Seyahat fanatiği. Yaratıcı. Yemek gurusu.”
More Stories
Denizanasının süper güçleri var
İki milyar yıldır kayalarda saklı yaşayan mikroplar bulundu
Bilim adamları iki milyar yıllık bir taşı ezdiler ve tamamen beklenmedik bir şey keşfettiler