Serangga pengumban membentuk setetes urin sebelum memuntahkannya dengan kecepatan tinggi. Kredit: Institut Teknologi Georgia
Serangga kecil yang dikenal sebagai penembak jitu mengeluarkan dengan memuntahkan tetesan urin dengan kecepatan luar biasa. Sekresi mereka adalah contoh pertama superstimulasi yang ditemukan dalam sistem biologis.
Saad sedang mendaki di halaman belakang rumahnya ketika dia melihat sesuatu yang belum pernah dia lihat sebelumnya: seekor serangga buang air kecil. Meskipun hampir tidak mungkin untuk dilihat, serangga itu membentuk tetesan bulat yang hampir sempurna di ekornya dan kemudian menembaknya dengan sangat cepat hingga seolah-olah menghilang. Serangga kecil itu menghibur dirinya sendiri selama berjam-jam.
Sudah diterima secara umum bahwa apa yang terjadi harus diperlihatkan, jadi ketika menyangkut dinamika fluida pada hewan, penelitian lebih banyak berfokus pada nutrisi daripada ekskresi. Tapi Bhamla, seorang asisten profesor di School of Chemical and Biomolecular Engineering di Georgia Tech, punya firasat bahwa apa yang dilihatnya bukanlah hal yang tidak penting.
“Sedikit yang diketahui tentang dinamika cairan sekresi, terlepas dari pengaruhnya terhadap morfologi, energi, dan perilaku hewan,” kata Bhamla. “Kami ingin melihat apakah serangga kecil ini membuat inovasi teknik atau fisika yang cerdas untuk buang air kecil dengan cara ini.”
Dua penembak jitu di pabrik buang air kecil (kecepatan penuh). Kredit: Institut Teknologi Georgia
Bhamla dan Elio Challita, seorang mahasiswa pascasarjana bioteknologi, menyelidiki bagaimana dan mengapa kanibal bersayap kaca—hama kecil yang terkenal menyebarkan penyakit pada tanaman—mengeluarkan kotoran dengan cara yang mereka lakukan. Dengan menggunakan dinamika fluida komputasi dan eksperimen biofisik, para peneliti telah mempelajari prinsip sekresi cairan, energetik, dan biomekanik, mengungkapkan bagaimana serangga yang lebih kecil dari ujung jari kelingking dapat melakukan terobosan fisika dan bioteknologi—superpropulsi. Penelitian mereka diterbitkan dalam jurnal 28 Februari 2023
Small but Mighty: Observing Insect Excretion
The researchers used high-speed videos and microscopy to observe precisely what was happening on the insect’s tail end. They first identified the role played by a very important biophysical tool called an anal stylus, or, as Bhamla termed, a “butt flicker.”
A sharpshooter insect uses its anal stylus to catapult a urine droplet at high acceleration (slow motion). Credit: Georgia Institute of Technology
Challita and Bhamla observed that when the sharpshooter is ready to urinate, the anal stylus rotates from a neutral position backward to make room as the insect squeezes out the liquid. A droplet forms and grows gradually as the stylus remains at the same angle. When the droplet approaches its optimal diameter, the stylus rotates farther back about 15 degrees, and then, like the flippers on a pinball machine, launches the droplet at incredible speed. The stylus can accelerate more than 40Gs – 10 times higher than the fastest sportscars.
“We realized that this insect had effectively evolved a spring and lever like a catapult and that it could use those tools to hurl droplets of pee repeatedly at high accelerations,” Challita said.
Then, the researchers measured the speed of the anal stylus movement and compared them to the speed of the droplets. They made a puzzling observation: the speed of the droplets in air was faster than the anal stylus that flicked them. They expected the droplets to move at the same speed as the anal stylus, but the droplets launched at speeds 1.4 times faster than the stylus itself. The ratio of speed suggested the presence of superpropulsion – a principle previously shown only in synthetic systems in which an elastic projectile receives an energy boost when its launch timing matches the projectile timing, like a diver timing their jump off a springboard.
Setelah pengamatan lebih lanjut, mereka menemukan bahwa pena memampatkan tetesan, menyimpan energi karena tegangan permukaan sesaat sebelum dilepaskan. Untuk mengujinya, para peneliti menempatkan tetesan air pada pengeras suara, menggunakan getaran untuk mengompresnya dengan kecepatan tinggi. Mereka menemukan bahwa ketika tetesan air kecil dilepaskan, mereka menyimpan energi karena tegangan permukaan yang melekat. Dan jika waktunya tepat, tetesan dapat diluncurkan dengan kecepatan yang sangat tinggi.
Tetapi pertanyaan mengapa penembak jitu buang air kecil tetap tidak terjawab. Makanannya hampir tidak mengandung kalori kecuali xilem – cairan miskin nutrisi yang hanya mengandung air dan sedikit mineral. Mereka minum hingga 300 kali berat badan mereka dalam jaringan xilem per hari dan oleh karena itu diharuskan minum terus-menerus dan secara efisien mengeluarkan limbahnya yang 99% air. Di sisi lain, berbagai serangga juga memakan getah xilem secara eksklusif tetapi dapat mengeluarkan semburan yang kuat.
Tim mengirim sampel penembak jitu ke laboratorium khusus. Tomografi komputer mikro memungkinkan Bhamla dan Challita mempelajari morfologi ganja dan melakukan pengukuran dari dalam serangga. Mereka menggunakan informasi tersebut untuk menghitung tekanan yang dibutuhkan kanibal untuk mendorong cairan melalui lubang anusnya yang sangat kecil, dan untuk menentukan jumlah energi yang dibutuhkan untuk buang air kecil.
Penelitian mereka mengungkapkan bahwa pelepasan tetesan super-propelled berfungsi sebagai strategi penembak untuk menghemat energi dalam siklus makan-ekskresi. Kanibal menghadapi tantangan dinamika fluida yang signifikan karena ukurannya yang kecil dan keterbatasan energi, dan membasahi tetesan adalah metode yang paling hemat energi untuk dikeluarkan.
Penembak jitu pada tanaman kemangi. Kredit: Institut Teknologi Georgia
Aplikasi yang menjanjikan dari superpropelan serangga
Mempelajari bagaimana penembak jitu menggunakan hyperthrust juga dapat memberikan wawasan tentang cara merancang sistem yang mengatasi lengket dan viskositas dengan menggunakan lebih sedikit energi. Salah satu contohnya adalah perangkat elektronik wearable berdaya rendah dan mengeluarkan air, seperti jam tangan pintar yang menggunakan getaran speaker untuk menolak air dari perangkat.
“Materi studi ini mungkin tampak aneh dan mistis, tetapi melalui investigasi seperti ini kita mendapatkan wawasan ke dalam proses fisik pada skala besarnya di luar jangkauan pengalaman manusia normal kita,” kata Miriam Ashley Ross, direktur program di Direktorat Biologi. Science di US National Science Foundation, yang mendanai sebagian pekerjaan tersebut. “Apa yang dihadapi penembak jitu akan seperti mencoba mendapatkan sirup maple seukuran bola pantai yang tersangkut di tangan kita. Cara efisien yang dikembangkan serangga kecil ini untuk memecahkan masalah dapat mengarah pada solusi bio-terinspirasi untuk menghilangkan pelarut. dalam aplikasi manufaktur kecil seperti elektronik atau pembuangan Air dengan cepat keluar dari permukaan yang kompleks secara struktural.”
Fakta bahwa serangga buang air kecil sudah menarik, terutama karena orang tidak terlalu memikirkannya. Tetapi dengan menerapkan lensa fisika pada proses mikrobiologis sehari-hari, karya para peneliti mengungkapkan dimensi baru untuk mengapresiasi perilaku kecil di luar apa yang terlihat oleh mata.
“Karya ini memperkuat gagasan bahwa sains yang digerakkan oleh rasa ingin tahu itu berharga,” kata Shallita. “Dan fakta bahwa kami telah menemukan sesuatu yang sangat menarik—hiperbolisasi tetesan dalam sistem biologis dan prestasi heroik fisika yang dapat diterapkan di bidang lain—membuatnya semakin menarik.”
Referensi: “Penggerak Superdroplet dalam Serangga yang Dibatasi dengan Ketat” oleh Elio J. Shalita, Prateek Segal, Rodrigo Krugner, dan Saad Bhamla, 28 Februari 2023, Tersedia Di Sini. Komunikasi Alam.
DOI: 10.1038/s41467-023-36376-5
More Stories
Roket Falcon 9 SpaceX berhenti sebelum diluncurkan, miliarder dalam misi khusus
Bagaimana lubang hitam bisa menjadi begitu besar dan cepat? Jawabannya terletak pada kegelapan
Seorang mahasiswa Universitas North Carolina akan menjadi wanita termuda yang melintasi batas luar angkasa dengan kapal Blue Origin