Un insetto che lancia forma una goccia di urina prima di vomitarla ad alta velocità. Credito: Georgia Institute of Technology
I minuscoli insetti noti come cecchini espellono vomitando goccioline di urina con incredibile accelerazione. La loro secrezione è il primo esempio di superstimolazione scoperto in un sistema biologico.
Saad stava facendo un’escursione nel suo cortile quando ha notato qualcosa che non aveva mai visto prima: un insetto che urinava. Sebbene fosse quasi impossibile da vedere, l’insetto formò una gocciolina quasi perfettamente rotonda sulla coda e poi la lanciò via con tale velocità che sembrò scomparire. Il piccolo insetto si è consolato più e più volte per ore.
È generalmente accettato che ciò che accade debba essere mostrato, quindi quando si tratta di dinamica dei fluidi negli animali, la ricerca si concentra principalmente sulla nutrizione piuttosto che sull’escrezione. Ma Bhamla, un assistente professore presso il College of Chemical and Biomolecular Engineering presso Georgia Tech (Georgia Tech), aveva la sensazione che ciò che vedeva non fosse banale.
“Si sa poco della dinamica dei fluidi della secrezione, nonostante la sua influenza sulla morfologia, l’energia e il comportamento degli animali”, ha detto Bhamla. “Volevamo vedere se questo piccolo insetto avesse apportato innovazioni ingegneristiche o fisiche intelligenti per urinare in questo modo”.
Due cecchini su una pianta che urinano a gocce (a tutta velocità). Credito: Georgia Institute of Technology
Bhamla ed Elio Challita, uno studente laureato in bioingegneria, hanno studiato come e perché i cannibali dalle ali di vetro, minuscoli parassiti noti per diffondere malattie nei raccolti, espellere il modo in cui lo fanno. Utilizzando la fluidodinamica computazionale e gli esperimenti biofisici, i ricercatori hanno studiato i principi della secrezione fluida, biotica e biomeccanica, rivelando come un insetto più piccolo della punta di un mignolo compia un’impresa fisica e bioingegneristica: la superpropulsione. La loro ricerca è stata pubblicata sulla rivista il 28 febbraio 2023
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.
Dopo ulteriori osservazioni, hanno scoperto che la penna comprime le goccioline, immagazzinando energia a causa della tensione superficiale appena prima del rilascio. Per verificarlo, i ricercatori hanno posizionato delle gocce d’acqua su un altoparlante, utilizzando le vibrazioni per comprimerle ad alta velocità. Hanno scoperto che quando vengono rilasciate minuscole goccioline d’acqua, immagazzinano energia a causa della tensione superficiale intrinseca. E se è il momento giusto, le goccioline possono essere lanciate a velocità estremamente elevate.
Ma la domanda sul perché i cecchini urinano in gocce è rimasta senza risposta. La dieta è quasi priva di calorie ad eccezione dello xilema, un liquido povero di nutrienti che contiene solo acqua e pochi minerali. Bevono fino a 300 volte il loro peso corporeo nel tessuto xilematico al giorno e sono quindi tenuti a bere costantemente ed espellere in modo efficiente il loro effluente che è costituito per il 99% da acqua. D’altra parte, anche vari insetti si nutrono esclusivamente di linfa xilematica ma possono espellere in potenti getti.
Il team ha inviato campioni di cecchino a un laboratorio specializzato. La tomografia microcomputerizzata ha permesso a Bhamla e Challita di studiare la morfologia della cannabis e di effettuare misurazioni dall’interno degli insetti. Hanno usato le informazioni per calcolare la pressione necessaria al cannibale per spingere il fluido attraverso il suo piccolissimo canale anale e per determinare la quantità di energia necessaria per urinare.
La loro ricerca rivela che l’espulsione di goccioline con super propulsione serve come strategia per i tiratori per risparmiare energia nel ciclo alimentazione-escrezione. I cannibali affrontano sfide fluidodinamiche significative a causa delle loro dimensioni ridotte e dei limiti energetici, e le goccioline bagnanti sono il metodo più efficiente dal punto di vista energetico per espellerle.
Cecchino sulla pianta di basilico. Credito: Georgia Institute of Technology
Applicazioni promettenti di superpropellenti per insetti
Studiare come i cecchini usano l’iperspinta potrebbe anche fornire spunti su come progettare sistemi che superano l’adesione e la viscosità utilizzando meno energia. Un esempio sono i dispositivi elettronici indossabili a bassa potenza che espellono l’acqua, come uno smartwatch che utilizza le vibrazioni degli altoparlanti per respingere l’acqua dal dispositivo.
“L’oggetto di questo studio può sembrare stravagante e mistico, ma attraverso indagini come questa otteniamo approfondimenti sui processi fisici su scale di grandezza oltre la portata della nostra normale esperienza umana”, ha affermato Miriam Ashley Ross, direttrice dei programmi presso la Direzione di Biologia. Science presso la US National Science Foundation, che ha parzialmente finanziato il lavoro. “Ciò che i cecchini dovranno affrontare sarà come cercare di prendere una pallina di sciroppo d’acero delle dimensioni di un pallone da spiaggia che ci è rimasta incastrata tra le mani. Il modo efficiente in cui questi minuscoli insetti hanno sviluppato per risolvere il problema potrebbe portare a soluzioni bio-ispirate per la rimozione del solvente in piccole applicazioni di produzione come l’elettronica o lo smaltimento Acqua rapidamente da superfici strutturalmente complesse.
Il semplice fatto che gli insetti facciano pipì è convincente di per sé, soprattutto perché le persone non ci pensano molto. Ma applicando la lente della fisica a un processo microbiologico quotidiano, il lavoro dei ricercatori rivela nuove dimensioni per apprezzare piccoli comportamenti al di là di ciò che incontra l’occhio.
“Questo lavoro rafforza l’idea che la scienza guidata dalla curiosità è preziosa”, ha detto Shallita. “E il fatto che abbiamo scoperto qualcosa di così intrigante – l’iperbolizzazione delle goccioline in un sistema biologico e le imprese eroiche della fisica che hanno applicazioni in altri campi – lo rende ancora più affascinante”.
Riferimento: “Superdroplet Propulsion in a Tightly Constrained Insect” di Elio J. Shalita, Prateek Segal, Rodrigo Krugner e Saad Bhamla, 28 febbraio 2023, disponibile qui. Comunicazioni sulla natura.
DOI: 10.1038/s41467-023-36376-5
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