Саад Бхамла находился на заднем дворе своего дома, когда заметил то, чего никогда раньше не видел: мочащееся насекомое. Хотя его почти невозможно было увидеть, насекомое сформировало почти идеально круглую каплю на своем хвосте, а затем выпустило ее так быстро, что она, казалось, исчезла. Крошечное насекомое неоднократно облегчало себя в течение нескольких часов.

Обычно считается само собой разумеющимся, что то, что входит, должно выходить, поэтому, когда речь заходит о гидродинамике у животных, исследования в основном сосредоточены на питании, а не на выделении. Но Бхамла, доцент Школы химической и биомолекулярной инженерии Технологического института Джорджии, догадывался, что увиденное им не было тривиальным.

"Мало что известно о гидродинамике выделений, несмотря на их влияние на морфологию, энергетику и поведение животных", - говорит Бхамла. "Мы хотели узнать, не придумало ли это крошечное насекомое каких-нибудь хитроумных инженерных или физических инноваций, чтобы мочиться таким образом".

Бхамла и Элио Чаллита, аспирант биоинженерии, исследовали, как и почему стекляннокрылые острокрылы - крошечные вредители, печально известные тем, что распространяют болезни на сельскохозяйственных культурах - выделяют мочу именно таким образом. Используя вычислительную гидродинамику и биофизические эксперименты, исследователи изучили гидравлические, энергетические и биомеханические принципы выделения, показав, как насекомое размером меньше кончика мизинца совершает подвиг физики и биоинженерии - сверхпродвижение.

Их исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, является первым наблюдением и объяснением этого явления в биологической системе.

Исследователи использовали высокоскоростное видео и микроскопию, чтобы точно наблюдать за тем, что происходит на хвостовой части насекомого. Сначала они определили роль, которую играет очень важный биофизический инструмент под названием анальный щупик, или, как его называет Бхамла, "задний щелчок".

Чаллита и Бхамла заметили, что когда остроклюв готов к мочеиспусканию, анальный щупик поворачивается из нейтрального положения назад, чтобы освободить место, когда насекомое выдавливает жидкость. Капля образуется и постепенно растет, пока щупик остается под тем же углом. Когда капля приближается к оптимальному диаметру, щуп поворачивается еще на 15 градусов назад, а затем, подобно ластам на пинбольной машине, запускает каплю с невероятной скоростью. Щуп может разогнаться до скорости более 40 Гс - в 10 раз выше, чем самые быстрые спортивные автомобили.

"Мы поняли, что это насекомое эффективно развило пружину и рычаг, как в катапульте, и что оно может использовать эти инструменты для многократного выброса капель мочи с высокой скоростью", - сказал Чаллита.

Затем исследователи измерили скорость движения анального щупа и сравнили их со скоростью движения капель. Они сделали озадачивающее наблюдение: скорость движения капель в воздухе была выше, чем скорость движения анального щупа, который их сбивал. Они ожидали, что капли будут двигаться с той же скоростью, что и анальный стилус, но капли запускались со скоростью в 1,4 раза быстрее, чем сам стилус.

Соотношение скоростей позволило предположить наличие суперпропульсии - принципа, который ранее демонстрировался только в синтетических системах, в которых упругий снаряд получает энергетический импульс, когда время его запуска совпадает с временем запуска снаряда, как у дайверов, синхронизирующих свой прыжок с трамплина.

При дальнейшем наблюдении они обнаружили, что щуп сжимает капли, накапливая энергию за счет поверхностного натяжения непосредственно перед запуском. Чтобы проверить это, исследователи поместили капли воды на аудиодинамик, используя вибрацию, чтобы сжать их на высокой скорости. Они обнаружили, что в крошечных масштабах при запуске капли воды накапливают энергию за счет присущего им поверхностного натяжения. И если правильно выбрать время, то капли могут быть запущены с чрезвычайно высокой скоростью.

Но вопрос о том, почему снайперы мочатся каплями, так и остался без ответа. Почти бескалорийная диета снайпера состоит только из сока ксилемы растений - жидкости с дефицитом питательных веществ, содержащей только воду и небольшое количество минералов. В день они выпивают до 300 раз больше веса своего тела в соке ксилемы, поэтому им необходимо постоянно пить и эффективно выводить свои жидкие отходы, которые на 99% состоят из воды. Различные насекомые, с другой стороны, также питаются исключительно соком ксилемы, но могут выделять его мощными струями.

Команда отправила образцы остролиста в специализированную лабораторию. Микротомография позволила Бхамле и Чаллите изучить морфологию остролодок и провести измерения изнутри насекомых. Они использовали полученную информацию для расчета давления, необходимого для проталкивания жидкости через очень маленький анальный канал, определяя, сколько энергии требуется для мочеиспускания.

Их исследование показало, что сверхпропульсивный выброс капель служит для снайперов стратегией экономии энергии за цикл питания-выделения. Острокрылы сталкиваются с серьезными гидродинамическими проблемами из-за своего маленького размера и энергетических ограничений, и мочеиспускание в виде капель является для них наиболее энергоэффективным способом выделения.

Благодаря сочетанию биологии, физики и инженерии, исследование имеет значение для нескольких областей. Понимание роли выделений в поведении, размерах и эволюции животных может найти применение в экологии и динамике популяций. Например, острокрылки являются крупным сельскохозяйственным вредителем в Калифорнии и Флориде, поскольку они распространяют болезни на виноградниках и цитрусовых культурах, нанося ущерб на миллионы долларов.

Выделения шарпея могут потенциально служить инструментом наблюдения за переносчиками, поскольку с изменением климата эта проблема, скорее всего, усугубится. Анализ, проведенный командой, также подчеркивает важность изучения процессов экскрементов, поскольку они могут раскрыть многогранную перспективу поведения организма.

Изучение того, как снайперы используют сверхдвижение, может также дать представление о том, как разрабатывать системы, преодолевающие адгезию и вязкость с меньшими затратами энергии. Один из примеров - носимая электроника с низким энергопотреблением для отталкивания воды, например, умные часы, которые используют вибрацию динамика для отталкивания воды от устройства.

"Тема этого исследования может показаться причудливой и эзотерической, но именно благодаря подобным исследованиям мы получаем представление о физических процессах в масштабах, находящихся за пределами нашего обычного человеческого опыта", - сказала Мириам Эшли-Росс, директор программы в Управлении биологических наук Национального научного фонда США.

То, с чем имеют дело острокрылы, было бы похоже на то, как если бы мы пытались сбросить с руки шарик кленового сиропа размером с пляжный мяч, который прилип к нашей руке". Эффективный метод, который эти крошечные насекомые разработали для решения этой проблемы, может привести к появлению вдохновленных биологией решений для удаления растворителей в микропроизводстве, например, в электронике, или для быстрого удаления воды со структурно сложных поверхностей".

Сам факт того, что насекомые мочатся, является убедительным сам по себе, в основном потому, что люди не часто задумываются об этом. Но, применив линзы физики к ежедневному миниатюрному биологическому процессу, работа исследователей открывает новые аспекты для оценки малого поведения, выходящего за рамки видимого.

"Эта работа подтверждает идею о ценности науки, основанной на любопытстве", - сказал Чаллита. "А тот факт, что мы обнаружили нечто настолько интересное - сверхпродвижение капель в биологической системе и героические физические подвиги, которые находят применение в других областях, - делает ее еще более увлекательной".