Vzhled cikád se může zdát trochu vlhký kvůli síle jejich moči

Letos na jaře, kdy teploty na zemi dosáhnou 64 stupňů Fahrenheita, si biliony cikád vyvrtají cestu zpod půdy na jihu a západě Spojených států. Ve vzácném takzvaném dvojitém vylíhnutí zamíří do stromů dvě odlišná mláďata cikád – jedno s 13letým životním cyklem a druhé se 17letým životním cyklem –, aby zpívali, jedli a pářili se.

A i když bychom na to možná raději nemysleli, vzhledem ke svému pobytu ve výše uvedených větvích budou cikády vylučovat také odpad ve formě moči. Navzdory své velikosti mají cikády působivě silný proud, uvádějí vědci v článku Článek vyšel v pondělí In Proceedings of the National Academy of Sciences.

Vědci upravili rámec dynamiky tekutin založený na vlastnostech, jako je povrchové napětí a gravitační efekty, aby zmapovali, jak zvířata různých velikostí, od komárů po slony, močí.

„Je to pěkný pohled na fyziku života“ vidět všechna data vložená do jednoho grafu, řekl Saad Bhamla, bioinženýr z Georgia Tech, který je spoluautorem studie.

Výzkum ukazuje, že proudy moči produkované cikádami dosahují rychlosti až 3 metrů za sekundu, což je nejrychlejší ze všech zvířat hodnocených v nové práci, včetně savců, jako jsou sloni a koně.

Vědci rozsáhle studovali, jak tvorové v celé živočišné říši jedí a pijí, ale jen málokdo se ponořil do tajemství sekrece tekutin. Existuje však spousta důvodů, proč prozkoumat, jak různá zvířata močí, říká doktor Bhamla. Pochopení toho, jak se těla zvířat vyvíjela k řešení problémů s odpadem, může poskytnout nové nápady například pro návrh trysek.

Výzkum má také environmentální dopady. Cikády pijí každý den 300násobek své tělesné hmotnosti v xylému, rostlinné míze chudé na živiny. Všechna ta tekutina musí někam jít. Dopad tohoto velkého přílivu moči cikád na životní prostředí však není zcela znám.

Pro Dr. Bhamlu je duch dotazování dostatečnou motivací. „Jsme laboratoř řízená zvědavostí,“ říká. První věc, která podnítila jeho zvědavost ohledně moči hmyzu, bylo podivné pozorování ve skupině hmyzu zvaného ostrostřelci.

Dr. Bhamla a jeho doktorand Elio Chalita zachytili video, jak odstřelovači vylučují svou moč jednu kapku po druhé, a pak pomocí speciálního nástavce každou kapku vypudí z těla pryč závratnou rychlostí.

Toto zjištění je v souladu se studií z doby před deseti lety, která ukázala, že savci větší než asi 6,6 liber močí v tryskách, zatímco menší savci nedokážou vytvořit dostatečný tlak, a tak jednoduše kapou.

Odstřelovači jsou malí, takže nemohou vytvářet letadla. Ale protože podavače dřeva mají hodně tekutiny, kterou je třeba vypustit, vědci na to mysleli, a proto vyvinuli energeticky účinnou metodu destilace.

Ale když prováděli terénní výzkum v peruánské Amazonii, vědci pozorovali cikádu uvolňující proud moči, který odporoval pravidlu objemu.

Dr. Shlita, který je spoluautorem nové studie a nyní je postdoktorandským výzkumným pracovníkem na Harvardu, studoval návyky vyprazdňování močového měchýře u tolika hmyzu, kolik jen mohl, a to jak v reálném životě, tak z videí na YouTube, a ponořil se do některých výpočtů. .

Vzhledem k silám povrchového napětí se stává obtížnější vytlačit kapalinu z trubice, protože se trubice zmenšuje. Cikády jsou asi čtyřikrát až osmkrát větší než ostrostřelci, takže jejich instalace nepodléhá úplně stejným omezením. Ale stále musí používat energii k překonání těchto sil.

Cikády drží rekord pro nejsilnější tryskový proud pro svou velikost, ačkoli motýli a čmeláci mohou produkovat trysky také. Komáři, mšice a mouchy však musí kapání přijmout.

Dr. Shalita a Dr. Bhamla upravili dvě měřítka k mapování výdejů moči 15 zvířat různých velikostí. Tato měření sledují roli povrchového napětí, gravitace a setrvačnosti při vypuzování tekutin z trubice, jako je močová trubice. U větších druhů, včetně lidí, jsou gravitace a setrvačnost zásadní pro to, jak rychle tělo vylučuje moč, a mohou snadno čelit silám povrchového napětí.

„Ale v malém měřítku není gravitace tak důležitá,“ vysvětlila Dr. Shelita. „Tady přichází na řadu biologie.“ Přebírá povrchové napětí, takže tryskání je energeticky nákladnější proces, ačkoli cikády jsou dostatečně velké, aby jim pomohla setrvačnost. Výzkumníci spekulovali, že jejich těla by mohla odolat nákladům na intenzivní močení, a evoluce usoudila, že tato energie byla dobře vynaložena.

„Cikádové močení zůstává v jedinečné oblasti v dynamice tekutin, kde jak setrvačné, tak kapilární síly hrají důležitou roli současně nad gravitací,“ řekl Sungwan Jung, biologický a environmentální inženýr z Cornell University, který se na práci nepodílel.

Dr. Bhamla řekl, že existuje velký prostor pro budoucí výzkum v oblasti kapání nebo proudění sekretů. Pochopení dynamiky tekutin ve hře umožní výzkumníkům blíže prozkoumat, proč zvíře používá jedno řešení namísto jiného.

„Myslím, že je to docela fajn,“ řekl. „Já a Elio jsme šťastní, že to víme.“