Yüksek ivmeyle fırlatmadan önce bir idrar damlacığı oluşturan keskin nişancı bir böcek. Kredi: Georgia Institute of Technology
Keskin nişancılar olarak bilinen minik böcekler, inanılmaz hızlanmalarla idrar damlalarını fırlatarak salgılarlar. Bunların atılımı, biyolojik bir sistemde keşfedilen ilk süper itiş gücü örneğidir.
Saad Bhamla arka bahçesindeyken daha önce hiç görmediği bir şeyi fark etti: işeyen bir böcek. Görmek neredeyse imkansız olmasına rağmen, böcek kuyruğunda neredeyse mükemmel yuvarlak bir damlacık oluşturdu ve sonra onu o kadar hızlı fırlattı ki yok olmuş gibi göründü. Minik böcek saatlerce tekrar tekrar kendini rahatlattı.
Genellikle içeri girenin dışarı çıkması gerektiği kabul edilir, bu nedenle hayvanlarda sıvı dinamiği söz konusu olduğunda, araştırma büyük ölçüde boşaltımdan çok beslenmeye odaklanır. Ancak Georgia Institute of Technology’de (Georgia Tech) Kimya ve Biyomoleküler Mühendisliği Okulu’nda yardımcı doçent olan Bhamla, gördüğü şeyin önemsiz olmadığına dair bir önseziye sahipti.
“Akışkan hakkında çok az şey biliniyor. Hayvanların morfolojisi, enerjileri ve davranışları üzerindeki etkisine rağmen boşaltım dinamikleri, ”dedi Bhamla. “Bu küçük böceğin bu şekilde işemek için herhangi bir akıllı mühendislik veya fizik buluşu bulup bulmadığını görmek istedik.”
Bir bitkinin üzerinde iki keskin nişancı, damlacıklar halinde işiyor (dolu -hız). Kredi: Georgia Institute of Technology
Biyomühendislik yüksek lisans öğrencisi olan Bhamla ve Elio Challita, ekinlere hastalık yaymakla ünlü küçük haşereler olan camsı kanatlı keskin nişancıların nasıl ve neden bu şekilde salgıladıklarını araştırdılar. Araştırmacılar, hesaplamalı akışkan dinamiği ve biyofiziksel deneyler kullanarak, boşaltımın akışkan, enerjik ve biyomekanik ilkelerini incelediler ve serçe parmağın ucundan daha küçük bir böceğin fizik ve biyomühendislikte bir başarı olan süper itişi nasıl gerçekleştirdiğini ortaya çıkardılar. Nature Communications dergisinde 28 Şubat 2023’te yayınlanan araştırmaları, bu fenomenin biyolojik bir sistemde ilk gözlemlenmesi ve açıklanmasıdır.
“Atımın akışkan dinamikleri hakkında çok az şey biliniyor, hayvanların morfolojisi, enerjileri ve davranışları üzerindeki etkisine rağmen.” – Saad Bhamla
Küçük ama Güçlü: Böcek Dışkısını Gözlemlemek
Araştırmacılar, böceğin kuyruk ucunda tam olarak ne olduğunu gözlemlemek için yüksek hızlı videolar ve mikroskopi kullandılar. İlk olarak, anal kalem veya Bhamla’nın tabiriyle “popo titremesi” adı verilen çok önemli bir biyofiziksel aracın oynadığı rolü belirlediler.
Keskin nişancı böceği, anal ucunu mancınık yapmak için kullanır. yüksek ivmede (yavaş hareket) bir idrar damlacığı. Kredi: Georgia Institute of Technology
Challita ve Bhamla, keskin nişancı idrar yapmaya hazır olduğunda, böcek sıvıyı sıkarken anal kalemin nötr konumdan geriye doğru dönerek yer açtığını gözlemledi. Kalem aynı açıda kaldıkça bir damlacık oluşur ve yavaş yavaş büyür. Damlacık optimum çapına yaklaştığında, kalem yaklaşık 15 derece daha geriye döner ve ardından, bir langırt makinesindeki paletler gibi, damlacığı inanılmaz bir hızla fırlatır. Kalem 40G’den daha fazla hızlanabilir – en hızlı spor arabalardan 10 kat daha fazla.
“Bu böceğin etkili bir şekilde bir yay ve bir mancınık gibi kaldıraç geliştirdiğini ve bu araçları çiş damlacıkları fırlatmak için kullanabileceğini fark ettik. yüksek ivmelerde tekrar tekrar,” dedi Challita.
Ardından, araştırmacılar anal kalem hareketinin hızını ölçtüler ve bunları damlacıkların hızıyla karşılaştırdılar. Şaşırtıcı bir gözlemde bulundular: Havadaki damlacıkların hızı, onları fırlatan anal kalemden daha hızlıydı. Damlacıkların anal kalemle aynı hızda hareket etmesini bekliyorlardı, ancak damlacıklar kalemin kendisinden 1,4 kat daha hızlı fırlatıldı. Hız oranı, süper itmenin varlığını akla getiriyordu – daha önce yalnızca elastik bir merminin fırlatma zamanlamasının mermi zamanlamasıyla eşleştiğinde bir enerji takviyesi aldığı sentetik sistemlerde gösterilen bir ilke, tıpkı bir dalgıcın sıçrama tahtasından atlayışını zamanlaması gibi.
{ 6}
Daha fazla gözlem yaptıktan sonra, kalemin damlacıkları sıkıştırdığını ve fırlatmadan hemen önce yüzey gerilimi nedeniyle enerji depoladığını gördüler.Küçük ölçeklerde, su damlacıkları fırlatıldığında, doğal yüzey gerilimi nedeniyle enerji depoladıklarını keşfettiler. Ve doğru zamanlanırsa, damlacıklar son derece yüksek hızlarda fırlatılabilir.
Ancak keskin nişancıların neden damlacıkların içine işediği sorusu hâlâ yanıtsızdı. Bir keskin nişancının neredeyse sıfır kalorili diyeti yalnızca bitki ksilem özsuyundan oluşur – yalnızca su ve eser miktarda mineral içeren besin açısından yetersiz bir sıvı. Günde vücut ağırlıklarının 300 katına kadar ksilem özü içerler ve bu nedenle sürekli içmeleri ve %99’u su olan sıvı atıklarını verimli bir şekilde atmaları gerekir. Öte yandan, farklı böcekler de yalnızca ksilem özsuyuyla beslenirler ancak güçlü jetlerde salgı yapabilirler.
Ekip keskin nişancı numunelerini özel bir laboratuvara gönderdi. Mikro BT taramaları, Bhamla ve Challita’nın keskin nişancının morfolojisini incelemesine ve böceklerin içinden ölçümler almasına olanak sağladı. Bilgileri, bir keskin nişancının sıvıyı çok küçük anal kanalından itmesi için gereken basıncı hesaplamak için kullandılar ve bir keskin nişancının idrarını yapması için ne kadar enerji gerektiğini belirlediler.
Araştırmaları, süper itici damlacık fışkırmasının şu işlevi gördüğünü ortaya koyuyor: keskin nişancılar için beslenme-dışkı döngüsü başına enerji tasarrufu stratejisi. Keskin nişancılar, küçük boyutları ve enerji kısıtlamaları nedeniyle büyük akışkan dinamiği zorluklarıyla karşı karşıyadır ve damlacıklar halinde idrar yapmak, onlar için en verimli boşaltım yoludur.
Bir fesleğen bitkisindeki keskin nişancılar. Kredi: Georgia Institute of Technology
Böcek Süper İtişi için Gelecek Vaat Eden Uygulamalar
Keskin nişancıların süper itişi nasıl kullandıklarını incelemek, daha düşük enerjiyle yapışma ve viskozitenin üstesinden gelen sistemlerin nasıl tasarlanacağına dair içgörüler sağlayabilir. Bir örnek, cihazdan suyu itmek için hoparlör titreşimlerini kullanan akıllı saat gibi düşük güçlü su püskürtmeli giyilebilir elektroniklerdir.
“Bu çalışmanın konusu tuhaf ve ezoterik görünebilir, ancak araştırmalardan geliyor Çalışmayı kısmen finanse eden ABD Ulusal Bilim Vakfı Biyolojik Bilimler Müdürlüğü program direktörü Miriam Ashley-Ross, “Böylece normal insan deneyimimizin dışındaki boyut ölçeklerinde fiziksel süreçler hakkında fikir ediniyoruz” dedi. “Keskin nişancıların uğraştığı şey, bizim elimize yapışmış deniz topu büyüklüğünde bir akçaağaç şurubu küresini fırlatmaya çalışmamız gibi olurdu. Bu küçük böceklerin sorunu çözmek için geliştirdikleri etkili yöntem, elektronik gibi mikro üretim uygulamalarında çözücülerin çıkarılması veya yapısal olarak karmaşık yüzeylerden hızla su dökülmesi için biyo-ilhamlı çözümlere yol açabilir.”
Böceklerin, idrar yapmak kendi başına zorlayıcıdır, çünkü çoğunlukla insanlar bunun hakkında pek düşünmezler. Ancak araştırmacıların çalışması, fiziğin merceğini günlük bir minyatür biyolojik sürece uygulayarak, küçük davranışları takdir etmek için gözle görünenin ötesinde yeni boyutlar ortaya koyuyor.
“Bu çalışma, merak odaklı bilimin değerli olduğu fikrini pekiştiriyor. dedi Challita. “Ve çok ilginç bir şey keşfettiğimiz gerçeği – biyolojik bir sistemdeki damlacıkların süper itişi ve diğer alanlarda uygulamaları olan fiziğin kahramanca becerileri – onu daha da büyüleyici kılıyor.”
Referans: “Damlacık süper itişi enerji açısından kısıtlanmış bir böcekte” yazan Elio J. Challita, Prateek Sehgal, Rodrigo Krugner ve M. Saad Bhamla, 28 Şubat 2023, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-023-36376-5
.