Superschnelles Urinieren von Insekten, angetrieben durch die Physik des Superantriebs

Saad Bhamla war in seinem Hinterhof, als er etwas bemerkte, das er noch nie zuvor gesehen hatte: ein urinierendes Insekt. Obwohl fast unmöglich zu sehen, bildete das Insekt einen fast perfekt runden Tropfen auf seinem Schwanz und schleuderte es dann so schnell weg, dass es zu verschwinden schien. Das winzige Insekt erleichterte sich immer wieder stundenlang.

Es gilt allgemein als selbstverständlich, dass das, was hineinkommt, auch wieder herauskommen muss. Wenn es also um die Strömungsdynamik bei Tieren geht, konzentriert sich die Forschung weitgehend auf die Nahrungsaufnahme und nicht auf die Ausscheidung. Aber Bhamla, ein Assistenzprofessor an der School of Chemical and Biomolecular Engineering am Georgia Institute of Technology, hatte eine Ahnung, dass das, was er sah, nicht trivial war.

„Über die Flüssigkeitsdynamik der Ausscheidung ist wenig bekannt, trotz ihrer Auswirkungen auf die Morphologie, Energetik und das Verhalten von Tieren“, sagte Bhamla. „Wir wollten sehen, ob dieses winzige Insekt irgendwelche cleveren technischen oder physikalischen Innovationen entwickelt hat, um auf diese Weise zu pinkeln.“

Bhamla und Elio Challita, ein Doktorand der Bioingenieurwissenschaften, untersuchten, wie und warum Glasflügel-Scharfschützen – winzige Schädlinge, die dafür berüchtigt sind, Krankheiten in Nutzpflanzen zu verbreiten – auf diese Weise ausscheiden. Mithilfe von Computer-Fluiddynamik und biophysikalischen Experimenten untersuchten die Forscher die fluidischen, energetischen und biomechanischen Prinzipien der Ausscheidung und enthüllten, wie ein Insekt, das kleiner als die Spitze eines kleinen Fingers ist, eine Meisterleistung der Physik und Biotechnik vollbringt – Superantrieb.

Ihre Forschung, veröffentlicht in Naturkommunikationist die erste Beobachtung und Erklärung dieses Phänomens in einem biologischen System.

Klein aber fein: Insektenausscheidungen beobachten

Mit Hochgeschwindigkeitsvideos und Mikroskopie beobachteten die Forscher genau, was am Schwanzende des Insekts passierte. Sie identifizierten zuerst die Rolle, die ein sehr wichtiges biophysikalisches Werkzeug namens Analgriffel oder, wie Bhamla es nannte, „Hinternflimmern“ spielt.

Challita und Bhamla beobachteten, dass sich der Analstift aus einer neutralen Position nach hinten dreht, wenn der Scharfschütze zum Urinieren bereit ist, um Platz zu schaffen, während das Insekt die Flüssigkeit herausdrückt. Ein Tropfen bildet sich und wächst allmählich, während der Stift im gleichen Winkel bleibt. Wenn sich der Tropfen seinem optimalen Durchmesser nähert, dreht sich der Stift um etwa 15 Grad weiter nach hinten und schießt dann, wie die Flipper eines Flipperautomaten, den Tropfen mit unglaublicher Geschwindigkeit ab. Der Eingabestift kann mehr als 40 Gs beschleunigen – 10 Mal höher als die schnellsten Sportwagen.

„Wir erkannten, dass dieses Insekt effektiv eine Feder und einen Hebel wie ein Katapult entwickelt hatte und dass es diese Werkzeuge verwenden konnte, um mit hohen Beschleunigungen wiederholt Urintröpfchen zu schleudern“, sagte Challita.

Dann maßen die Forscher die Geschwindigkeit der Bewegung des Analgriffels und verglichen sie mit der Geschwindigkeit der Tröpfchen. Sie machten eine rätselhafte Beobachtung: Die Geschwindigkeit der Tröpfchen in der Luft war schneller als der Analstift, der sie bewegte. Sie erwarteten, dass sich die Tröpfchen mit der gleichen Geschwindigkeit wie der Analstift bewegen würden, aber die Tröpfchen wurden mit einer 1,4-mal höheren Geschwindigkeit als der Stift selbst abgeschossen.

Das Geschwindigkeitsverhältnis deutete auf das Vorhandensein von Superantrieb hin – ein Prinzip, das zuvor nur in synthetischen Systemen gezeigt wurde, in denen ein elastisches Projektil einen Energieschub erhält, wenn sein Startzeitpunkt mit dem Projektil-Timing übereinstimmt, wie ein Taucher seinen Sprung von einem Sprungbrett zeitlich bestimmt.

Bei weiterer Beobachtung stellten sie fest, dass der Stift die Tröpfchen komprimierte und kurz vor dem Start Energie aufgrund der Oberflächenspannung speicherte. Um dies zu testen, platzierten die Forscher die Wassertropfen auf einem Lautsprecher und nutzten Vibrationen, um sie mit hoher Geschwindigkeit zu komprimieren. Sie entdeckten, dass Wassertröpfchen in winzigen Maßstäben beim Abschuss Energie aufgrund der inhärenten Oberflächenspannung speichern. Und wenn das Timing genau richtig ist, können Tröpfchen mit extrem hohen Geschwindigkeiten abgefeuert werden.

Aber die Frage, warum Scharfschützen in Tröpfchen urinieren, blieb noch unbeantwortet. Die fast kalorienfreie Ernährung eines Scharfschützen besteht nur aus pflanzlichem Xylemsaft – einer nährstoffarmen Flüssigkeit, die nur Wasser und eine Spur Mineralien enthält. Sie trinken bis zum 300-fachen ihres Körpergewichts an Xylemsaft pro Tag und müssen daher ständig trinken und ihre Abfallflüssigkeit, die zu 99 % aus Wasser besteht, effizient ausscheiden. Andere Insekten hingegen ernähren sich ebenfalls ausschließlich von Xylemsaft, können diesen aber in kräftigen Strahlen ausscheiden.

Das Team schickte Scharfschützenproben an ein spezialisiertes Labor. Mikro-CT-Scans ermöglichten es Bhamla und Challita, die Morphologie des Scharfschützen zu untersuchen und Messungen aus dem Inneren der Insekten vorzunehmen. Sie verwendeten die Informationen, um den Druck zu berechnen, den ein Scharfschütze benötigt, um die Flüssigkeit durch seinen sehr kleinen Analkanal zu drücken, und bestimmten, wie viel Energie ein Scharfschütze zum Urinieren benötigte.

Ihre Forschung zeigt, dass der superpropulsive Tröpfchenausstoß als Strategie für Scharfschützen dient, um Energie pro Fütterungs-Ausscheidungszyklus zu sparen. Scharfschützen stehen aufgrund ihrer geringen Größe und Energiebeschränkungen vor großen Herausforderungen für die Flüssigkeitsdynamik, und das Urinieren in Tröpfchen ist für sie die energieeffizienteste Art der Ausscheidung.

Vielversprechende Anwendungen für den Superantrieb von Insekten

Durch die Kombination von Biologie, Physik und Ingenieurwissenschaften hat die Forschung Auswirkungen auf mehrere Bereiche. Das Verständnis der Rolle der Ausscheidung für das Verhalten, die Größe und die Evolution von Tieren kann Anwendungen für Ökologie und Populationsdynamik haben. Zum Beispiel sind Scharfschützen ein großer landwirtschaftlicher Schädling in Kalifornien und Florida, da sie Krankheiten in Weinbergen und Zitrusfrüchten verbreiten und Schäden in Millionenhöhe verursachen.

Die Ausscheidung von Scharfschützen könnte möglicherweise als Vektorüberwachungsinstrument dienen, da sich das Problem mit dem Klimawandel wahrscheinlich verschlimmern wird. Die Analyse des Teams betont auch, wie wichtig es ist, Exkrementprozesse zu untersuchen, da sie eine facettenreiche Perspektive auf das Verhalten eines Organismus offenbaren können.

Die Untersuchung, wie Scharfschützen den Superantrieb nutzen, kann auch Einblicke in die Entwicklung von Systemen geben, die Adhäsion und Viskosität mit geringerer Energie überwinden. Ein Beispiel sind tragbare Elektronikgeräte mit Wasserausstoß mit geringem Stromverbrauch, wie z. B. eine Smartwatch, die Lautsprechervibrationen verwendet, um Wasser vom Gerät abzustoßen.

„Das Thema dieser Studie mag skurril und esoterisch erscheinen, aber durch Untersuchungen wie diese gewinnen wir Einblicke in physikalische Prozesse in Größenordnungen außerhalb unserer normalen menschlichen Erfahrung“, sagte Miriam Ashley-Ross, Programmdirektorin in der Direktion für Biologie Naturwissenschaften bei der US National Science Foundation.

„Womit die Scharfschützen es zu tun haben, wäre, als würden wir versuchen, eine wasserballgroße Kugel aus Ahornsirup wegzuschleudern, die an unserer Hand klebte. Die effiziente Methode, die diese winzigen Insekten entwickelt haben, um das Problem zu lösen, könnte zu bioinspirierten Lösungen führen Entfernen von Lösungsmitteln in Mikrofertigungsanwendungen wie Elektronik oder schnelles Ableiten von Wasser von strukturell komplexen Oberflächen.

Die bloße Tatsache, dass Insekten urinieren, ist an sich schon überzeugend, vor allem, weil die Leute nicht oft darüber nachdenken. Aber indem sie die Linse der Physik auf einen alltäglichen biologischen Miniaturprozess anwenden, enthüllt die Arbeit der Forscher neue Dimensionen für die Wertschätzung kleiner Verhaltensweisen, die über das hinausgehen, was mit bloßem Auge sichtbar ist.

„Diese Arbeit bestärkt die Idee, dass von Neugier getriebene Wissenschaft wertvoll ist“, sagte Challita. „Und die Tatsache, dass wir etwas so Interessantes entdeckt haben – den Superantrieb von Tröpfchen in einem biologischen System und physikalische Heldentaten, die auf anderen Gebieten Anwendung finden – macht es noch faszinierender.“