Энергоэффективность швыряния мочой цикадками доказали физически

Американские ученые исследовали вопрос о том, является ли капельное мочеиспускание с последующим выстреливанием капли у насекомых-снайперов из семейства Cicadellidea (цикадок) энергетически оправданным. Для этого они снимали процесс удаления мочи несколькими особями Homalodisca vitripennis на высокоскоростную камеру, а также проводили эксперимент, аналитические и численные расчеты. Авторы положительно ответили на свой вопрос, а также выяснили, что капля отрывается в сверхпропульсивном режиме, что можно будет использовать в проектировании влагозащиты для электроники и флюидике. Исследование опубликовано в Nature Communications.

Удаление отходов жизнедеятельности играет важную роль в существовании организма, хотя этому процессу уделяется меньше внимания ученых, чем потреблению пищи. Дефекация и мочеиспускание имеют экологические последствия, а кроме того, животные часто используют продукты своей жизнедеятельности для того, чтобы метить территорию или изменять пространство вокруг себя.

При этом ученые чаще фокусируются на крупных животных. Вместе с тем насекомые часто обладают метаболизмом или условиями существования, сильно отличными от таковых у млекопитающих. Например, насекомые-снайперы (sharpshooter insects) из семейства Cicadellidea питаются ксилемным соком, который на 95 процентов состоит из воды. Из-за этого им приходится постоянно пропускать через себя большой объем жидкости и, соответственно, выделять много мочи. Она формируется в виде капелек, которыми цикадки выстреливают с большой скоростью — отсюда и их название. Низкокалорийная диета подразумевает, что каждый выстрел должен быть энергетически эффективным, однако до недавнего времени этого никто не подтверждал.

Доказать эту гипотезу удалось группе американских физиков и биологов под руководством Саада Бхамла (Saad Bhamla) из Технологического института Джорджии. Их работа включала высокоскоростную съемку того, как формируется капля жидкости на кончике анального стилуса у нескольких особей Homalodisca vitripennis, а также то, как животные катапультируют свои отходы. Измерение скоростей стилуса и капли показало, что последняя стартует со скоростью, в среднем на 40 процентов превышающей скорость разгоняющего органа. Другими словами, насекомые демонстрируют сверхпропульсивный (superpropulsive) режим движения.

Чтобы понять природу его возникновения, физики проводили численное, аналитическое и экспериментальное исследование механики процесса. В качестве механической модели они рассматривали одномерный двухпружинный осциллятор с демпфером, имитирующим колебания стилуса и капли на нем. Авторы также учитывали эффекты смачивания. Для эксперимента они помещали каплю воды на колеблющуюся супергидрофобную пластину. Результаты всех исследований продемонстрировали сверхпропульсивное движение при параметрах, близких к параметрам, извлеченным из видеозаписей.

Для ответа на вопрос об эффективности такого механизма, ученые вычисляли энергетический баланс животного. Они оценивали то, сколько сока в среднем способно высосать насекомое и его калорийность, а также метаболические затраты и затраты на выстрел. Механо-гидродинамическая модель выстрела, опирающаяся на томографию задней части цикадок, позволила физикам понять, что выделение мочи в виде капелек с последующим выстрелом действительно энергоэффективно, в отличие от струеобразования. Полученные результаты и выводы можно будет применить к проектированию средств защиты носимой электроники от загрязнений, а также для устройств микро- и нанофлюидики.

Группа Бхамла регулярно получает интересные биомеханические результаты. Ранее мы уже рассказывали, как эти ученые показали, что кожа человеческих пальцев обладает почти оптимальными характеристиками для щелчков, а также подробно исследовали прыжки ногохвосток.