蝉独特的排尿方式开启了对流体动力学的新理解

蝉是夏天的配乐，但它们的小​​便比它们的音乐更特别。它们不是喷洒水滴，而是从小框架中喷出尿液。多年来，佐治亚理工学院的研究人员一直想了解蝉独特的排尿方式。

化学与生化工程学院助理教授萨阿德·巴姆拉(SaadBhamla)和他的研究小组希望有机会研究蝉的液体排泄。然而，虽然蝉声很容易听到，但它们隐藏在树上，很难观察到。因此，看到蝉撒尿是一个事件。Bhamla的团队只在YouTube上观看了整个过程。

然后，在秘鲁进行实地考察时，团队很幸运：他们看到树上有无数蝉在撒尿。

这一刻的观察足以反驳两种主要的昆虫撒尿范例。首先，蝉吃木质部汁液，而大多数木质部喂食者只以液滴形式撒尿，因为它排泄汁液所需的能量较少。然而，蝉的食量非常大，单独弹掉每一滴尿会太费力，而且无法从汁液中提取足够的营养。

“我们的假设是，如果昆虫从液滴形成转变为喷射，它将需要更多的能量，因为昆虫必须喷射更快的速度，”前博士埃利奥·查利塔(ElioChallita)说。Bhamla实验室的学生，现任哈佛大学博士后研究员。

其次，较小的动物预计会以液滴形式撒尿，因为它们的孔口太小，无法排出更厚的东西。由于蝉体型较大，翼展可与小型蜂鸟相媲美，因此它们在喷气式飞机中排尿时消耗的能量较少。

“以前，人们知道，如果小动物想要喷射水流，那么这会变得有点具有挑战性，因为动物会消耗更多的能量来迫使流体以更高的速度排出。这是由于表面张力和粘性力......但较大的动物可以依靠重力和惯性力撒尿，”查利塔说。

蝉喷水的能力让研究人员对流体动力学如何影响这些微小昆虫甚至大型哺乳动物有了新的认识。研究人员在《美国国家科学院院刊》上发表了这一对范式的挑战，题为“统一从蝉到大象一生中的流体排泄”。

多年来，该研究小组一直在研究跨物种的流体喷射，最终形成了arXiv预印本，描述了从微小真菌到巨型鲸鱼的这种现象。他们的框架揭示了多种功能，例如排泄、毒液喷射、猎物狩猎、孢子传播和植物内脏，突出了在软机器人、增材制造和药物输送方面的潜在应用。

蝉是制造高速喷气机的最小动物，因此它们可以为微型机器人/喷嘴制造喷气机的应用提供潜在的信息。由于它们的数量达到数万亿，它们喷射的液体对生态系统的影响是巨大的，但尚不清楚。除了仿生工程之外，巴姆拉相信这些生物还可以为生物监测应用提供信息。

他说：“我们的研究绘制了动物的排泄模式，范围涵盖从微小的蝉到巨大的大象的八个数量级。”

“我们已经确定了决定这些过程的基本约束和力量，为理解排泄原理提供了一个新的视角，排泄是所有生命系统的关键功能。这项工作不仅加深了我们对生物功能的理解，而且为理解排泄原理奠定了基础。统一管理生命基本过程的基本原则的方法。”