蟬，怎樣尿尿？嚇你一跳！流體力學(xué)新發(fā)現(xiàn)

西陸蟬聲唱，南冠客思深。夏季的鳴蟬，常常是詩意的啟迪；而近期，“海洋與濕地”（OceanWetlands）小編注意到，來自美國喬治亞理工學(xué)院的一項(xiàng)最新研究在流體動力學(xué)領(lǐng)域有了很大的突破——通過對于蟬的觀察?？茖W(xué)家們關(guān)注了夏天隨處可聽的這些鳴蟬，但他們的研究卻聚焦在了蟬類的排尿上。這個(gè)研究成果是在《美國國家科學(xué)院院刊》上發(fā)表的。

這項(xiàng)研究的頭號人物是來自喬治亞理工學(xué)院化學(xué)與生化工程學(xué)院的Saad Bhamla助理教授和他的研究團(tuán)隊(duì)。多年來，他們一直渴望弄清楚蟬類這群生物獨(dú)特的小便方式。在他們進(jìn)行的秘魯野外實(shí)地工作中，團(tuán)隊(duì)幸運(yùn)地捕捉到了蟬類在樹上排尿的瞬間，這對于科學(xué)家們來說算是一個(gè)巨大的突破。

圖片來源：Pixabay/CC0 Public Domain

一般來說，人們認(rèn)為吸食木質(zhì)部汁液的昆蟲會選擇滴狀排泄尿液，因?yàn)檫@樣的方式更省能量。然而，Bhamla的研究團(tuán)隊(duì)通過仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，蟬類作為非常貪婪的食物消費(fèi)者，竟然采用了噴射式的尿液排泄方式，這與傳統(tǒng)觀點(diǎn)相悖。這個(gè)發(fā)現(xiàn)，顛覆了有關(guān)昆蟲尿液的兩個(gè)主要看法。

首先，蟬類不同于其他吸取木質(zhì)部汁液的昆蟲，其排尿不再以滴形式進(jìn)行。相反，它們通過噴射形式排泄，這是科學(xué)家們之前未曾觀察到的。Bhamla實(shí)驗(yàn)室的前博士生、目前在哈佛大學(xué)擔(dān)任博士后研究員的Elio Challita表示：“人們曾以為，如果昆蟲從滴水形式過渡到射流，將需要更多的能量，因?yàn)槔ハx將不得不注入更高的速度?！?/p>

其次，通常較小的動物因排泄孔較小而傾向于以滴形式排尿。而由于蟬類相對較大，其翅膀展開時(shí)甚至可與小蜂鳥媲美，它們則以更為節(jié)省能量的噴射形式排尿。Challita解釋說：“以前人們認(rèn)為，如果小動物想要排出水射流，這會有些困難，因?yàn)閯游镄枰嗟哪芰縼砥仁挂后w以更高的速度排出。這是由于表面張力和粘性力。但較大的動物可以依賴重力和慣性力來排尿?！?/p>

蟬類排尿的獨(dú)特方式為研究人員提供了對微小昆蟲——甚至是大型哺乳動物——的流體動力學(xué)影響的新認(rèn)識。這項(xiàng)挑戰(zhàn)性的研究成果發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上，題為“從蟬到大象：生命中的流體排泄統(tǒng)一”。

多年來，Bhamla教授及其研究團(tuán)隊(duì)一直在進(jìn)行液體排泄的跨物種研究，最終在arXiv預(yù)印本上發(fā)表了一份綜述，涵蓋了從微小真菌到巨大鯨魚的各種生物。通過他們的研究框架，揭示了液體排泄在不同生物中的多種功能，包括排泄、毒液噴射、捕食行為、孢子傳播以及植物樹汁排放等。這些研究不僅突顯了這些生物行為的多樣性，還展示了在軟體機(jī)器人、增材制造和藥物傳遞等領(lǐng)域中的潛在應(yīng)用價(jià)值。

由于蟬類是創(chuàng)造這種“高速射流”的最小動物，這項(xiàng)研究可能會在制造微型機(jī)器人或噴嘴方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響?？紤]到蟬類的數(shù)量達(dá)到數(shù)以萬億計(jì)，它們的排泄物對生態(tài)系統(tǒng)的影響尚未被全面了解。除了在生物啟發(fā)工程中發(fā)揮作用外，Bhamla教授還認(rèn)為這些昆蟲可能為生物監(jiān)測應(yīng)用提供了有益的啟示。這項(xiàng)研究或許會在未來推動微型技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也為我們深入了解生態(tài)系統(tǒng)的微妙之處提供了新的視角。

Bhamla教授表示：“我們的研究已經(jīng)繪制出了動物的排泄模式，涵蓋了從微小的蟬類到巨大的大象的八個(gè)量級。我們已經(jīng)確定了決定這些過程的基本約束和力量，為我們理解生命的基本過程提供了新的視角。這項(xiàng)工作不僅加深了我們對生物功能的理解，還為統(tǒng)一掌握生命的基本過程奠定了基礎(chǔ)?！?/p>

蟬是這樣尿尿的…… 圖片來源：喬治亞理工學(xué)院（Saad Bhamla/Elio Challita）

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編譯 | Wendy

審核 | Richard

參考資料略