Cicadas unikke vandladning låser op for ny forståelse af væskedynamik
Cikader er sommerens soundtrack, men deres tisse er mere speciel end deres musik. I stedet for at drysse dråber udsender de stråler af urin fra deres små rammer. I årevis har Georgia Tech-forskere ønsket at forstå cikadens unikke vandladning.
Saad Bhamla, en adjunkt ved School of Chemical and Biochemical Engineering, og hans forskergruppe håbede på en mulighed for at studere en cikades væskeudskillelse. Men mens cikader let høres, gemmer de sig i træer, hvilket gør dem svære at observere. Som sådan er det en begivenhed at se en cikade tisse. Bhamlas team havde kun set processen på YouTube.
Så, mens de lavede feltarbejde i Peru, var holdet heldige:De så adskillige cikader i et træ, der tissede.
Dette observationsøjeblik var nok til at modbevise to vigtigste insekttisseparadigmer. For det første spiser cikader xylemsaft, og de fleste xylemfødere tisser kun i små dråber, fordi det bruger mindre energi på at udskille saften. Cikader er imidlertid så glubske spisere, at det ville være for besværligt at trække hver dråbe tisse væk individuelt og ikke udtrække nok næringsstoffer fra saften.
"Antagelsen var, at hvis et insekt overgår fra dråbedannelse til en stråle, vil det kræve mere energi, fordi insektet skulle injicere mere hastighed," sagde Elio Challita, en tidligere ph.d. studerende i Bhamlas laboratorium og nuværende postdoc-forsker ved Harvard University.
For det andet forventes mindre dyr at tisse i dråber, fordi deres åbning er for lille til at udsende noget tykkere. På grund af cikadernes større størrelse - med vingespænd, der kan måle sig med en lille kolibri - bruger de mindre energi på at uddrive tisse i jetfly.
"Tidligere har man forstået, at hvis et lille dyr vil udstøde vandstråler, så bliver det lidt udfordrende, fordi dyret bruger mere energi på at tvinge væskens ud med en højere hastighed. Det skyldes overfladespænding og viskøse kræfter. Men et større dyr kan stole på tyngdekraften og inertikræfterne for at tisse," sagde Challita.
Cikadernes evne til at sprøjte vand tilbød forskerne en ny forståelse af, hvordan væskedynamik påvirker disse små insekter – og endda store pattedyr. Forskerne offentliggjorde denne udfordring til paradigmet som en kortfattet "Unifying Fluidic Excretion Across Life from Cicadas to Elephants" i Proceedings of the National Academy of Sciences .
I årevis har forskergruppen studeret væskeudstødning på tværs af arter, kulminerende i en arXiv fortryk, der kendetegner dette fænomen fra mikroskopiske svampe til kolossale hvaler. Deres rammer afslører forskellige funktioner – såsom udskillelse, giftsprøjtning, byttejagt, sporespredning og plantegutation – hvilket fremhæver potentielle anvendelser inden for blød robotteknologi, additiv fremstilling og lægemiddellevering.
Cikader er det mindste dyr til at skabe højhastigheds jetfly, så de kan potentielt informere applikationer til fremstilling af jetfly i små robotter/dyser. Og fordi deres befolkning når billioner, er økosystempåvirkningen af deres væskeudstødning betydelig, men ukendt. Ud over bio-inspireret ingeniørarbejde, mener Bhamla, at dyrene også kan informere bioovervågningsapplikationer.
"Vores forskning har kortlagt dyrs udskillelsesmønstre, der spænder over otte skalaer fra små cikader til massive elefanter," sagde han.
"Vi har identificeret de grundlæggende begrænsninger og kræfter, der dikterer disse processer, og tilbyder en ny linse til at forstå principperne for udskillelse, en kritisk funktion af alle levende systemer. Dette arbejde uddyber ikke kun vores forståelse af biologiske funktioner, men baner også måde at forene de underliggende principper, der styrer livets væsentlige processer."
Flere oplysninger: Elio J. Challita og M. Saad Bhamla, Forening af fluidisk udskillelse gennem livet fra cikader til elefanter, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2317878121. doi.org/10.1073/pnas.2317878121
Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences , arXiv
Leveret af Georgia Institute of Technology
Varme artikler
-
Slår elektronegenskaber individuelt til og fraProf. Silke Bühler-Paschen. Kredit:Luiza Puiu Egenskaber af komplekse materialer bestemmes ofte af samspillet mellem flere elektronegenskaber. Det er nu lykkedes TU Wien (Wien) at fjerne dette rod -
Foton-foton polaritoner:de spændende partikler, der dukker op, når to fotoner parrer sigFoton-foton polaritoner i mikroresonatorer. Kredit:University of Bath Forskere ved University of Bath i Storbritannien har fundet en måde at binde sammen to fotoner i forskellige farver, baner vej -
Fysikere netto neutronstjerne guld fra måling af blyJefferson Labs eksperimentelle hal A er et af fire kernefysiske forskningsområder i laboratoriets Kontinuerlige Electron Beam Accelerator Facility. Kredit:DOEs Jefferson Lab Atomfysikere har lavet -
Neutron pinhole forstørrer opdagelser på ORNLVULCAN Pinhole and Detector Development research team ved Oak Ridge National Laboratory’s Spallation Neutron Source. Fra venstre mod højre, Matt Frost, Kevin Berry, Alexandru Stoica, Ke An, Wei Wu, og
- Forskere:Overraskende lille dødzone ud for Louisiana
- Første, anden og tredje klasse Math Games
- Forskellen mellem genomisk DNA og plasmid DNA
- Forskning har til formål at forhindre dødelige miljøkatastrofer, der involverer mineaffald
- En lysaktiveret fjernbetjening til celler
- Hvordan den cirkadiske cyklus påvirker reaktionen på lægemidler i planter