看看这些小虫子如何用屁股弹射尿液

每种生物上厕所的方式都不一样。老虎和企鹅以喷射式排泄物而闻名，它们会从消防水管里喷出粪便，而袋熊的粪便则是方块状，树懒一个月只排便一次，而一些蛀木蛤蚌会用粪便烟囱来建造巢穴。

所有动物，甚至昆虫都需要排泄。毕竟，吃进去的东西最终还是要排出来。佐治亚理工学院的生物力学专家萨阿德·巴姆拉在自家后院罕见地看到了一只昆虫小​​便，他很好奇这种小动物用什么机制来排泄。他看到这只虫子在尾巴上形成了一个几乎完美的圆形液滴，然后迅速飞走，这种模式重复了几个小时。

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为了了解更多信息，B​​hamla 和生物工程研究生 Elio Challita 研究了玻璃翅昆虫——一种只有一毫米大小的昆虫，因在杏仁、葡萄酒和柑橘等作物中传播疾病而臭名昭著。虽然它们比小指尖还小，但它们排泄物的机制可以产生超推进力——这是物理学和生物工程的壮举。他们的研究于 2 月 28 日发表在《自然通讯》杂志上，描述了在生物系统中对这种现象的首次观察和解释。

巴姆拉在一份声明中表示：“尽管排泄对动物的形态、能量和行为有影响，但人们对排泄的流体动力学知之甚少。我们想看看这种小昆虫是否想出了任何巧妙的工程或物理创新，以便以这种方式排尿。”

神枪手的食物几乎为零卡路里，主要食物是缺乏营养的植物木质部汁液。这种液体只含水和微量矿物质，他们每天喝下的木质部汁液相当于其体重的 300 倍。为了生存，他们需要不断喝水并有效排出大部分由水组成的液体废物。

在这项研究中，研究小组利用高速视频和显微镜精确观察昆虫尾部发生的情况。

首先，科学家们研究了肛门针（研究小组称之为“屁股闪烁器”）的作用。当神枪手准备小便时，屁股闪烁器会从中立位置向后旋转，为昆虫挤出液体腾出空间。当闪烁器保持相同角度时，液滴会形成并逐渐增大。当液滴达到最佳直径（或圆度）时，闪烁器会向后旋转约 15 度，然后以超过 40 G 的速度发射液滴。这比最快的跑车高出 10 倍。

“我们意识到这种昆虫实际上已经进化出了像弹射器一样的弹簧和杠杆，它可以使用这些工具以高加速度反复抛出尿滴，”Challita 说。

然后，他们测量了弹尾弹的运动速度，并将其与液滴的速度进行比较。他们原本以为液滴和弹尾弹的运动速度相同，但结果却发现液滴在空气中的速度比弹起它们的弹尾弹要快。这种速度比表明存在一种以前只在合成系统中发现的原理，即超推进。当发射和弹射时机匹配时，弹性弹丸会获得能量提升，就像跳水运动员把握跳板的起跳时机一样。

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仔细观察后，他们发现，尾部闪烁会压缩水滴，因为水滴在发射前的表面张力会储存能量。为了测试这一点，他们将水滴放在扬声器上，并利用声音的振动以高速压缩水滴。在微小尺度上，水滴会由于固有的表面张力而储存能量。如果时间安排得当，水滴在被抛下时，可以以极高的速度被弹射出去。

为了弄清神枪手为何会以液滴形式排尿，Bhamla 和 Challita 研究了它们的形态的微型 CT 扫描图，并从昆虫体内进行了测量。他们计算了神枪手将液体推过非常小的肛管所需的压力，并发现以液滴形式排尿是它们排泄废物最节能的方式。

研究小组希望，通过更好地了解排泄物如何影响动物的大小、行为和进化，可以防止农作物损失。神枪手排泄物可能是一种媒介监测工具，随着气候变化，神枪手等昆虫的侵扰可能会变得更加严重。

“这项研究进一步证实了好奇心驱动的科学是有价值的，”查利塔说。“而且我们发现了一些如此有趣的东西——生物系统中液滴的超推进和在其他领域有应用的物理学奇迹——这让它更加令人着迷。”