一天排尿量是體重的 300 倍，葉蟬賴以生存的“彈尿”技巧，能用于發(fā)射宇宙飛船

原文標(biāo)題：《一天排尿量是體重的 300 倍！它賴以生存的“彈尿”技巧，甚至能用于發(fā)射宇宙飛船》

撰文 | clefable

審校｜王昱

當(dāng) Saad Bhamla 和美國(guó)農(nóng)業(yè)部（USDA）的同事一起研究一種惡名在外的昆蟲時(shí)，可能不會(huì)想到他們會(huì)為這種昆蟲高超的彈尿的技巧所折服，且還因此發(fā)了一篇頂刊文章 —— 已于近期發(fā)表在《自然?通訊》上。

彈尿速度，過快

這種昆蟲正是葉蟬，體長(zhǎng)只有數(shù)毫米，平常就棲息在綠色的植物枝葉間，不仔細(xì)看就很難發(fā)現(xiàn)它們。不過科學(xué)家不能忽視這種昆蟲，因?yàn)?strong>它們傳播的植物病毒已經(jīng)嚴(yán)重威脅了葡萄酒產(chǎn)業(yè)和柑橘產(chǎn)業(yè)。

Saad Bhamla 是美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的生物分子工程師，在首次觀察葉蟬時(shí)，他和他的博士生 Elio Challita 就察覺到這種小小的害蟲一直在重復(fù)做某件事情，但肉眼幾乎跟不上。他們架起了高速攝像機(jī)，這才在鏡頭下發(fā)現(xiàn)葉蟬一直在高速?gòu)椛淠虻?/strong>。因?yàn)槿~蟬這一有趣的行為，他們給它取了一個(gè)昵稱 ——“神槍手”（sharpshooter）。

葉蟬其實(shí)和蚊子很像，它們的食物都是液體，只不過一個(gè)是抽人或動(dòng)物的血，一個(gè)是抽植物的“血”—— 木質(zhì)部汁液。和蚊子能傳播疾病一樣，葉蟬在扎進(jìn)植物的表皮后，也會(huì)傳遞一些病毒，導(dǎo)致植物患病。

對(duì)于葉蟬來說，植物木質(zhì)部汁液的營(yíng)養(yǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不過動(dòng)物的血液，其中 95% 都是水，且匱乏營(yíng)養(yǎng)。蚊子雖然可能比較容易吃飽，但每次吃飯時(shí)都冒著死亡風(fēng)險(xiǎn)；葉蟬的則身陷另一種困境 —— 不努力吃飽，絕對(duì)會(huì)死。很難比較葉蟬和蚊子的生存難度誰更大。Bhamla 和同事發(fā)現(xiàn)，葉蟬為了生存，每天需要大量攝入植物的木質(zhì)部汁液（相當(dāng)于人只喝檸檬水），它們每天的排尿量直接飆升到了體重的 300 倍。相比之下，人每天的排泄量只有體重的 1/40。

看著葉蟬生活得這么努力，研究人員就給它們計(jì)算了一下一天的能量收支。首先是能量收入，植物的汁液是它們唯一攝入的能量。其余的則都是能量支出，包括為了抽取處于負(fù)張力（≤-1Mpa）的木質(zhì)部汁液，它們需要調(diào)動(dòng)巨大的紋狀肌，這個(gè)過程就會(huì)消耗大量能量。隨后，葉蟬還需要一個(gè)高效的消化系統(tǒng)來汲取木質(zhì)部液體中的營(yíng)養(yǎng)物，這又會(huì)耗費(fèi)很多能量 —— 經(jīng)過這一過程后，這些液體會(huì)“純化”為含水量高達(dá) 99% 的尿液，真的有可能比雨水還要干凈。

生存必需的技巧

為了給攝入汁液留出足夠得空間，葉蟬還需要不斷地高效排除液體，這也需要耗能。經(jīng)過計(jì)算后，他們發(fā)現(xiàn)葉蟬攝入汁液和攝取營(yíng)養(yǎng)的過程會(huì)消耗大量的能量，而它們排尿只能使用很少的能量 —— 只有這樣才不會(huì)入不敷出，能繼續(xù)存活。

不過，葉蟬也不能因?yàn)橄胧×途徒拍颍@可能導(dǎo)致尿液中的病原體就近生長(zhǎng)，威脅它們的生存。此外，尿液含有的一些化學(xué)信息素會(huì)引來潛在的捕食者，比如葉蟬的天敵寄生黃蜂。一切好在，葉蟬在排尿方面確實(shí)是省量的天才 —— 可以用超低的能量成本，將尿液以特殊的方式彈遠(yuǎn)，從而重復(fù)實(shí)現(xiàn)高效排尿。

在詳細(xì)揭秘葉蟬的排尿機(jī)制之前，我們可以先了解下一種常見的排尿方式 —— 射流?？茖W(xué)家曾發(fā)現(xiàn)，對(duì)于排泄或排水孔徑大于 100μm 的動(dòng)物，例如哺乳動(dòng)物、射水魚和大型昆蟲，在捕獵時(shí)或排尿會(huì)依靠慣性力形成射流或大塊液體。

葉蟬的近親蟬就會(huì)采取這樣的方式，但對(duì)于葉蟬來說，這種方式耗能太多了。它們的方法是先形成尿滴，隨后利用超級(jí)推進(jìn)（super propulsion）來將尿滴彈射出去。超級(jí)推進(jìn)是一個(gè)工程學(xué)中的概念，指的是在超疏水表面上，具有彈性的彈丸（例如尿滴）可以超過超疏水表面移動(dòng)的最大速度，以更高的速度噴射出去。

在實(shí)驗(yàn)室中，Bhamla 等研究了“玻璃翼神槍手”—— 一種名為 Homalodisca vitripennis 的葉蟬（擁有透明的翅膀，身體呈紅褐色），并仔細(xì)觀察了它負(fù)責(zé)彈射尿液的身體結(jié)構(gòu)，揭示了其彈尿得完整過程和細(xì)節(jié)。他們發(fā)現(xiàn)“玻璃翼神槍手”在排尿時(shí)，其尾部的肛門觸針（anal stylus）相對(duì)于正常狀態(tài)會(huì)有一個(gè)夾角 θ，而這個(gè)角度的變化能反映它彈射尿液的 3 個(gè)階段：形成尿滴、加載彈性和噴射尿滴。

在肛門觸針的底部和頭部，分別是節(jié)肢彈性蛋白（resilin）和感受器（尾須）。在尿滴形成階段，在節(jié)肢彈性蛋白的幫助下，葉蟬肛門觸針會(huì)彎曲一個(gè)較大的角，隨后尿滴開始排出，在約 80 毫秒后，尿滴直徑能達(dá)到 0.73 毫米左右。在這一過程中，肛門觸針的角度一直都會(huì)保持恒定。隨著尿滴的增大，當(dāng)它靠近有毛的感受器時(shí)，肛門觸針會(huì)再?gòu)澢蠹s 15 度。這樣才算加載完尿滴。

隨后，尿滴就進(jìn)入發(fā)射階段了。在這一階段的起始，感受器會(huì)協(xié)調(diào)肛門觸針和液滴的頻率，隨后肛門觸針迅速加速。與此同時(shí)，有彈性的尿液會(huì)被壓縮，并被快速?gòu)椓顺鋈ァ８亻T觸針動(dòng)的有多快呢？首先，它的加速度可以達(dá)到獵豹加速度（大概是 8~10m / s2）的 40 多倍。它的角速度峰值可以達(dá)每秒 3.31±1.31×104°（相當(dāng)于一秒鐘能轉(zhuǎn) 55~128 圈），線速度峰值為 0.23m / s。

而尿滴的速度更快。尿滴壓縮狀態(tài)利用表面張力蓄積的能量，會(huì)轉(zhuǎn)變成其飛行時(shí)的動(dòng)能，尿滴會(huì)以 0.32 m / s 的線速度彈出去、飛到遠(yuǎn)處，大概比肛門觸針的速度快 40%—— 也就是說，實(shí)現(xiàn)了超級(jí)推進(jìn)?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，葉蟬是目前在自然界中首個(gè)觀察到會(huì)利用超級(jí)推進(jìn)的昆蟲。

一直在節(jié)省能量

為了節(jié)省排尿的能量，葉蟬可能精確計(jì)算了排尿過程的每一步。首先，相比于射流排尿，葉蟬采用的排泄方式 —— 形成尿滴 —— 消耗的能量只有射流的 1/9～1/5。而接下來，葉蟬采取超級(jí)推進(jìn)彈射尿液的方式，也能很好地節(jié)省能量。而必不可少的就是葉蟬身體最末端有毛的感受器。

實(shí)驗(yàn)中，研究人員嘗試去除了 Homalodisca vitripennis 的這一感受器后，重新觀察了它們彈射尿滴的過程。他們發(fā)現(xiàn)葉蟬無法協(xié)調(diào)肛門觸針和尿滴的頻率，即使肛門觸針運(yùn)動(dòng)的速度很快，但尿滴彈出的速度也會(huì)顯著下降。葉蟬無法像之前一樣利用超級(jí)推進(jìn)了，會(huì)消耗更多的能量。

而目前，在進(jìn)入太空后，火箭和航天器的分離用到“磁推進(jìn)器”和“電推進(jìn)器”也是采用了超級(jí)推進(jìn)的方法。物理學(xué)家曾發(fā)現(xiàn)，相比于一般的發(fā)射方式，借助超級(jí)推進(jìn)可以多產(chǎn)生 250% 的能量，可以以更節(jié)量的方式將航天器準(zhǔn)確送入預(yù)定軌道。

不得不說，雖然攝入的能量有限，但“工程學(xué)大師”葉蟬通過節(jié)衣縮食成功存活了下來，并且十分成功 —— 我國(guó)大概有超過 1000 種葉蟬，最終人類不得不采取措施，減輕它們帶來的危害。而最讓人感嘆的，還是其精巧的彈尿技術(shù)。Bhamla 說:“這真的很神奇，因?yàn)槲锢韺W(xué)家和工程師已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室里證明了超級(jí)推進(jìn)這一概念，但這種神奇的生物或許在數(shù)十萬年前就已經(jīng)應(yīng)用了這個(gè)概念。”

而除了葉蟬之外，很多昆蟲都有奇特的排泄現(xiàn)象?？茖W(xué)家們也給這些昆蟲起了一些貼切的稱呼，例如“噴糞者”、“抖臀者”和“吐糞者”。它們都在通過一些不同尋常的策略，排出液態(tài)或固態(tài)的糞便。

早在 2003 年前后，一些研究人員就發(fā)現(xiàn)弄蝶科（Skippers）中的毛毛蟲可以以大于 1.5 米 / 秒的速度，將自己的固體糞便顆粒噴得很遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)可達(dá) 153 厘米遠(yuǎn)，接近其體長(zhǎng)的 40 多倍。在這個(gè)過程中，毛毛蟲會(huì)借助迅速上升的血壓，讓堅(jiān)硬的背部像艙門一樣，將這些負(fù)載發(fā)射出去。而且越是老的毛毛蟲，越有經(jīng)驗(yàn)，可以將糞便噴得更遠(yuǎn)。不得不說，有點(diǎn)像是行走的投“屎”機(jī)了。

此外，還有夜行蟲會(huì)通過劇烈晃動(dòng)腹部來釋放糞便顆粒，有些尺蛾科的幼蟲直接會(huì)用它們的胸腿踢走糞便顆粒。而這一切怪異的舉動(dòng)，都是為了躲避捕食者，順利地生存下去。

有時(shí)候，想要省一點(diǎn)能量極端麻煩，但浪費(fèi)能量卻極其容易。

參考鏈接：

• https://www.science.org/content/article/frass-flies

• https://www.scientificamerican.com/article/sharpshooter-insects-use-superpropulsion-to-catapult-their-pee1/

• https://press.springernature.com/28-02-2023-nature-research-journals-16-00/24030988

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-36376-5

Droplet superpropulsion in an energetically constrained insect

本文來自微信公眾號(hào)：環(huán)球科學(xué) （ID：huanqiukexue）

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