Das einzigartige Urinieren von Zikaden ermöglicht ein neues Verständnis der Flüssigkeitsdynamik

Zikaden sind der Soundtrack des Sommers, aber ihr Urin ist noch spezieller als ihre Musik. Anstatt Tröpfchen zu verspritzen, stoßen sie aus ihren kleinen Körpern Urinstrahlen aus. Seit Jahren wollen Forscher des Georgia Tech das einzigartige Urinieren der Zikade verstehen.

Saad Bhamla, Assistenzprofessor an der Fakultät für Chemie- und Bioverfahrenstechnik, und seine Forschungsgruppe hofften auf eine Gelegenheit, die Flüssigkeitsausscheidung einer Zikade zu untersuchen. Obwohl Zikaden zwar gut zu hören sind, verstecken sie sich in Bäumen und sind daher schwer zu beobachten. Daher ist es ein Ereignis, einer Zikade beim Pinkeln zuzusehen. Bhamlas Team hatte den Vorgang lediglich auf YouTube verfolgt.

Dann hatte das Team bei der Feldforschung in Peru Glück: Sie sahen zahlreiche Zikaden in einem Baum pinkeln.

Dieser Moment der Beobachtung reichte aus, um zwei Hauptparadigmen des Insektenurinierens zu widerlegen. Erstens fressen Zikaden Xylemsaft, und die meisten Xylemfresser pinkeln nur in Tröpfchen, da für die Ausscheidung des Saftes weniger Energie benötigt wird. Zikaden sind jedoch so gefräßige Fresser, dass es zu anstrengend wäre, jeden Tropfen Natursekt einzeln wegzuschleudern und dem Saft nicht genügend Nährstoffe entziehen würde.

„Die Annahme war, dass, wenn ein Insekt von der Tröpfchenbildung in einen Strahl übergeht, es mehr Energie benötigt, weil das Insekt mehr Geschwindigkeit einbringen müsste“, sagte Elio Challita, ein ehemaliger Doktorand. Student in Bhamlas Labor und aktueller Postdoktorand an der Harvard University.

Zweitens wird von kleineren Tieren erwartet, dass sie in Tröpfchen pinkeln, weil ihre Öffnung zu klein ist, um etwas Dickeres auszustoßen. Aufgrund ihrer größeren Größe – mit Flügelspannweiten, die denen eines kleinen Kolibris in nichts nachstehen – verbrauchen sie weniger Energie, um Urin in Düsen auszustoßen.

„Bisher ging man davon aus, dass es etwas schwierig wird, wenn ein kleines Tier Wasserstrahlen ausstoßen möchte, da das Tier mehr Energie aufwendet, um den Austritt der Flüssigkeit mit höherer Geschwindigkeit zu erzwingen. Dies liegt an der Oberflächenspannung und den viskosen Kräften.“ „Aber ein größeres Tier kann sich beim Pinkeln auf die Schwerkraft und Trägheitskräfte verlassen“, sagte Challita.

Die Fähigkeit der Zikaden, Wasser auszustoßen, verschaffte den Forschern ein neues Verständnis darüber, wie sich die Strömungsdynamik auf diese winzigen Insekten – und sogar große Säugetiere – auswirkt. Die Forscher veröffentlichten diese Herausforderung des Paradigmas als Kurzfassung mit dem Titel „Unifying Fluidic Excretion Across Life from Cicadas to Elephants“ in Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

Seit Jahren untersucht die Forschungsgruppe den Flüssigkeitsauswurf verschiedener Arten und gipfelte in einem arXiv Vordruck das charakterisiert dieses Phänomen von mikroskopisch kleinen Pilzen bis hin zu riesigen Walen. Ihr Rahmenwerk offenbart vielfältige Funktionen – wie Ausscheidung, Giftversprühung, Beutejagd, Sporenverbreitung und Pflanzenguttation – und verdeutlicht mögliche Anwendungen in der Soft-Robotik, der additiven Fertigung und der Arzneimittelabgabe.

Zikaden sind die kleinsten Tiere, die Hochgeschwindigkeitsstrahlen erzeugen können, daher können sie möglicherweise Anwendungen bei der Herstellung von Strahlen in winzigen Robotern/Düsen unterstützen. Und da ihre Population Billionen erreicht, sind die Auswirkungen ihres Flüssigkeitsausstoßes auf das Ökosystem erheblich, aber unbekannt. Über die bioinspirierte Technik hinaus glaubt Bhamla, dass die Tiere auch Bioüberwachungsanwendungen beeinflussen könnten.

„Unsere Forschung hat die Ausscheidungsmuster von Tieren kartiert und sich über acht Größenordnungen von winzigen Zikaden bis hin zu riesigen Elefanten erstreckt“, sagte er.

„Wir haben die grundlegenden Einschränkungen und Kräfte identifiziert, die diese Prozesse bestimmen, und bieten eine neue Perspektive, um die Prinzipien der Ausscheidung, einer entscheidenden Funktion aller lebenden Systeme, zu verstehen. Diese Arbeit vertieft nicht nur unser Verständnis biologischer Funktionen, sondern ebnet auch die Grundlagen Weg zur Vereinheitlichung der zugrunde liegenden Prinzipien, die die wesentlichen Prozesse des Lebens steuern.