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Ein Scharfschützeninsekt, das einen Urintropfen formt, bevor es ihn mit hoher Beschleunigung katapultiert. Bildnachweis: Georgia Institute of Technology
Winzige Insekten, die als Scharfschützen bekannt sind, scheiden aus, indem sie Urintropfen mit unglaublicher Beschleunigung katapultieren. Ihre Ausscheidung ist das erste Beispiel für einen Superantrieb, der in einem biologischen System entdeckt wurde.
Saad Bhamla war in seinem Hinterhof, als er etwas bemerkte, das er noch nie zuvor gesehen hatte: ein urinierendes Insekt. Obwohl fast unmöglich zu sehen, bildete das Insekt einen fast perfekt runden Tropfen auf seinem Schwanz und schleuderte es dann so schnell weg, dass es zu verschwinden schien. Das winzige Insekt erleichterte sich immer wieder stundenlang.
Es gilt allgemein als selbstverständlich, dass das, was hineinkommt, auch wieder herauskommen muss. Wenn es also um die Strömungsdynamik bei Tieren geht, konzentriert sich die Forschung weitgehend auf die Nahrungsaufnahme und nicht auf die Ausscheidung. Aber Bhamla, ein Assistenzprofessor an der School of Chemical and Biomolecular Engineering am Georgia Institute of Technology (Georgia Tech), hatte eine Ahnung, dass das, was er sah, nicht trivial war.
„Über die Fluiddynamik der Ausscheidung ist wenig bekannt, trotz ihrer Auswirkungen auf die Morphologie, Energetik und das Verhalten von Tieren“, sagte Bhamla. „Wir wollten sehen, ob dieses winzige Insekt irgendwelche cleveren technischen oder physikalischen Innovationen entwickelt hat, um auf diese Weise zu pinkeln.“
Zwei Scharfschützen auf einer Pflanze, die in Tröpfchen urinieren (Vollgas). Bildnachweis: Georgia Institute of Technology
Bhamla und Elio Challita, ein Doktorand der Bioingenieurwissenschaften, untersuchten, wie und warum Glasflügel-Scharfschützen – winzige Schädlinge, die dafür berüchtigt sind, Krankheiten in Nutzpflanzen zu verbreiten – auf diese Weise ausscheiden. Mithilfe von numerischer Strömungsdynamik und biophysikalischen Experimenten untersuchten die Forscher die fluidischen, energetischen und biomechanischen Prinzipien der Ausscheidung und enthüllten, wie ein Insekt, das kleiner als die Spitze eines kleinen Fingers ist, eine Meisterleistung der Physik und Biotechnik vollbringt – den Superantrieb. Ihre Forschung, veröffentlicht am 28. Februar 2023 in der Zeitschrift
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.
Bei weiterer Beobachtung stellten sie fest, dass der Stift die Tröpfchen komprimierte und kurz vor dem Start Energie aufgrund der Oberflächenspannung speicherte. Um dies zu testen, platzierten die Forscher die Wassertropfen auf einem Lautsprecher und nutzten Vibrationen, um sie mit hoher Geschwindigkeit zu komprimieren. Sie entdeckten, dass Wassertröpfchen in winzigen Maßstäben beim Abschuss Energie aufgrund der inhärenten Oberflächenspannung speichern. Und wenn das Timing genau richtig ist, können Tröpfchen mit extrem hohen Geschwindigkeiten abgefeuert werden.
Aber die Frage, warum Scharfschützen in Tröpfchen urinieren, blieb noch unbeantwortet. Die fast kalorienfreie Ernährung eines Scharfschützen besteht nur aus Pflanzensaft aus Xylem – einer nährstoffarmen Flüssigkeit, die nur Wasser und eine Spur Mineralien enthält. Sie trinken bis zum 300-fachen ihres Körpergewichts an Xylemsaft pro Tag und müssen daher ständig trinken und ihren flüssigen Abfall, der zu 99% aus Wasser besteht, effizient ausscheiden. Andere Insekten hingegen ernähren sich ebenfalls ausschließlich von Xylemsaft, können diesen aber in kräftigen Strahlen ausscheiden.
Das Team schickte Scharfschützenproben an ein spezialisiertes Labor. Mikro-CT-Scans ermöglichten es Bhamla und Challita, die Morphologie des Scharfschützen zu untersuchen und Messungen aus dem Inneren der Insekten vorzunehmen. Sie verwendeten die Informationen, um den Druck zu berechnen, den ein Scharfschütze benötigt, um die Flüssigkeit durch seinen sehr kleinen Analkanal zu drücken, und bestimmten, wie viel Energie ein Scharfschütze zum Urinieren benötigte.
Ihre Forschung zeigt, dass der superpropulsive Tröpfchenausstoß als Strategie für Scharfschützen dient, um Energie pro Fütterungs-Ausscheidungszyklus zu sparen. Scharfschützen stehen aufgrund ihrer geringen Größe und Energieeinschränkungen vor großen fluiddynamischen Herausforderungen, und das Urinieren in Tröpfchen ist für sie die energieeffizienteste Art der Ausscheidung.
Scharfschützen auf einer Basilikumpflanze. Bildnachweis: Georgia Institute of Technology
Vielversprechende Anwendungen für Insekten-Superantrieb
Die Untersuchung, wie Scharfschützen den Superantrieb nutzen, kann auch Einblicke in die Entwicklung von Systemen geben, die Adhäsion und Viskosität mit geringerer Energie überwinden. Ein Beispiel sind tragbare Elektronikgeräte mit Wasserausstoß mit geringem Stromverbrauch, wie z. B. eine Smartwatch, die Lautsprechervibrationen verwendet, um Wasser vom Gerät abzustoßen.
„Das Thema dieser Studie mag skurril und esoterisch erscheinen, aber durch Untersuchungen wie diese gewinnen wir Einblicke in physikalische Prozesse in Größenskalen außerhalb unserer normalen menschlichen Erfahrung“, sagte Miriam Ashley-Ross, Programmdirektorin im Directorate for Biological Sciences bei der US National Science Foundation, die die Arbeit teilweise finanzierte. „Womit die Scharfschützen es zu tun haben, wäre, als würden wir versuchen, eine wasserballgroße Kugel aus Ahornsirup wegzuschleudern, die an unserer Hand klebte. Die effiziente Methode, die diese winzigen Insekten entwickelt haben, um das Problem zu lösen, könnte zu bioinspirierten Lösungen zum Entfernen von Lösungsmitteln in Mikrofertigungsanwendungen wie Elektronik oder zum schnellen Ableiten von Wasser von strukturell komplexen Oberflächen führen.“
Die bloße Tatsache, dass Insekten urinieren, ist an sich schon überzeugend, vor allem, weil die Leute nicht oft darüber nachdenken. Aber indem sie die Linse der Physik auf einen alltäglichen biologischen Miniaturprozess anwenden, enthüllt die Arbeit der Forscher neue Dimensionen für die Wertschätzung kleiner Verhaltensweisen, die über das hinausgehen, was mit bloßem Auge sichtbar ist.
„Diese Arbeit bekräftigt die Idee, dass von Neugier getriebene Wissenschaft wertvoll ist“, sagte Challita. „Und die Tatsache, dass wir etwas so Interessantes entdeckt haben – den Superantrieb von Tröpfchen in einem biologischen System und physikalische Heldentaten, die in anderen Bereichen Anwendung finden – macht es noch faszinierender.“
Referenz: „Tröpfchen-Superantrieb in einem energetisch eingeschränkten Insekt“ von Elio J. Challita, Prateek Sehgal, Rodrigo Krugner und M. Saad Bhamla, 28. Februar 2023, Naturkommunikation.
DOI: 10.1038/s41467-023-36376-5
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