液体のジェット全体を生成するには、膨大な量の尿を考慮するとエネルギー的にコストがかかります。だからこそ、矮性セミの一部の代表者は、特に経済的な「ピーゼルシステム」を開発したと研究者らは報告している。昆虫は、一種のカタパルト機構を使用して、尻から尿の滴を投げます。液滴の弾力性を利用して、特に効果的に液滴を加速します。基本原理は技術開発のインスピレーションとなる可能性さえある、と科学者らは言う。
アトランタのジョージア工科大学の上級著者サード・バムラ氏が報告しているように、この珍しい研究ストーリーは、自宅の庭での観察から始まりました。彼は、繰り返し排尿しているように見えるウンカを観察していました。ほとんどの昆虫を含む他の動物が生成するような尿ジェットは生成されませんでした。その代わりに、小さな水滴がセミの背中に形成され、ピューッと消えていった。
これは、科学者と彼のチームの生体力学への関心を引き起こしました。 「排泄の流体力学についてはほとんどわかっていませんが、排泄は動物の形態、エネルギーバランス、行動に影響を与えます」とバムラ氏は言う。 「私たちは、この小さな昆虫が自分自身を解放するために何か賢い概念を使用しているのかどうかを知りたかったのです。」研究者らは、体長わずか約10ミリメートルのドワーフセミ種Homalodisca vitripennisのお尻を詳しく観察した。そこで何が起こっているのかを捉えるために、高倍率の高速カメラが使用されました。
上手に効果的に捨てる
これは、小さな昆虫が洗練されたカタパルト システムを使用してどのように排尿するかを示しました。中立位置からスティックを後ろに回転させ、そこに尿滴がゆっくりと形成されます。特定の (明らかに最適な) 直径に達すると、ロッドはさらに約 15 度後方に回転し、それによってロッドに張力がかかります。次に、ピンボール マシンのスナップ要素のように急速に前方に折り畳まれ、高加速度で液滴を投げ飛ばします。
棒の速度と液滴の速度を比較したところ、科学者たちは興味深い発見をしました。つまり、発射体は推進ユニットの 1.4 倍の速さで移動していました。研究者らが説明しているように、これは超推進力と呼ばれる効果によるものですが、生体系ではまだ解明されていません。この効果は、弾性発射体が追加のエネルギーブーストを受けたときに発生する可能性があります。これは、弾性発射体の発射のタイミングがその変形挙動と最適に調整されるためです。
ヨコバイ類の場合、発射物は尿球であり、表面張力による弾性特性を持っています。観測と技術シミュレーションにより、スナップ運動中に弾性液滴に最適な圧縮を与える方法でロッドが移動することが示されました。結果として生じる変形エネルギーは、リフトオフ時に正確に放出されるようです。研究者らは、最適なタイミングによってドロップがさらに強力に加速される可能性があると説明しています。
なぜ光線ではなく水滴なのでしょうか?
しかし、これはなぜヨコバイがこの特別なシステムを開発し、他の昆虫のように尿ジェットを放出しないのかという疑問を引き起こしました。研究チームがさらなる研究を通じて実証できたように、このコンセプトは明らかにこれらの特に小さな昆虫にエネルギーを節約する方法を提供するものである。研究者らによると、基本的に、コビトセミはたくさんおしっこをする必要があるため、この効果が現れるという。これらの寄生虫は、植物から吸う非常に栄養価の低い木部樹液を食べます。消化を通して十分な栄養素を吸収するために、彼らは毎日自分の体重の300倍の水を飲まなければなりません。したがって、濡れずに常に老廃物を除去しなければなりません。
研究チームが報告しているように、ホマロディスカヨコバイの解剖学的構造の研究では、その小さなサイズからは高い毛細管力が原因で、ジェットを通して排尿するには比較的大きな圧力とエネルギーが必要であることが明らかになった。その後、さまざまな尿送達方法をモデル化したところ、この小さな生き物にとって、水滴の中を覗くことが最もエネルギー効率の高い排泄方法であることが明らかになりました。
しかし、昆虫の世界についてのこの奇妙な、しかしかなり特別に見える洞察を利用して何かできることはあるでしょうか?科学者らによると、その生物学的重要性に加えて、このシステムは新しい技術概念の開発に役立つ可能性があるという。具体的には、スピーカーからの特別に調整された振動により、電子機器から水滴を最適に飛ばす効果を生み出すことができます。しかし、バムラ氏は別の側面を強調して結論づけています。この笑顔を誘発する現象は、自然の魅力的な「創意工夫」に対する人々の興味を呼び起こす可能性があるのです。
出典: ジョージア工科大学、専門記事: Nature Communications、doi: 10.1038/s41467-023-36376-5
ビデオ: ジョージア工科大学工学部
