蝉，怎样尿尿？吓你一跳！流体力学新发现

西陆蝉声唱，南冠客思深。夏季的鸣蝉，常常是诗意的启迪；而近期，“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编注意到，来自美国乔治亚理工学院的一项最新研究在流体动力学领域有了很大的突破——通过对于蝉的观察。科学家们关注了夏天随处可听的这些鸣蝉，但他们的研究却聚焦在了蝉类的排尿上。这个研究成果是在《美国国家科学院院刊》上发表的。

这项研究的头号人物是来自乔治亚理工学院化学与生化工程学院的Saad Bhamla助理教授和他的研究团队。多年来，他们一直渴望弄清楚蝉类这群生物独特的小便方式。在他们进行的秘鲁野外实地工作中，团队幸运地捕捉到了蝉类在树上排尿的瞬间，这对于科学家们来说算是一个巨大的突破。

图片来源：Pixabay/CC0 Public Domain

一般来说，人们认为吸食木质部汁液的昆虫会选择滴状排泄尿液，因为这样的方式更省能量。然而，Bhamla的研究团队通过仔细观察发现，蝉类作为非常贪婪的食物消费者，竟然采用了喷射式的尿液排泄方式，这与传统观点相悖。这个发现，颠覆了有关昆虫尿液的两个主要看法。

首先，蝉类不同于其他吸取木质部汁液的昆虫，其排尿不再以滴形式进行。相反，它们通过喷射形式排泄，这是科学家们之前未曾观察到的。Bhamla实验室的前博士生、目前在哈佛大学担任博士后研究员的Elio Challita表示：“人们曾以为，如果昆虫从滴水形式过渡到射流，将需要更多的能量，因为昆虫将不得不注入更高的速度。”

其次，通常较小的动物因排泄孔较小而倾向于以滴形式排尿。而由于蝉类相对较大，其翅膀展开时甚至可与小蜂鸟媲美，它们则以更为节省能量的喷射形式排尿。Challita解释说：“以前人们认为，如果小动物想要排出水射流，这会有些困难，因为动物需要更多的能量来迫使液体以更高的速度排出。这是由于表面张力和粘性力。但较大的动物可以依赖重力和惯性力来排尿。”

蝉类排尿的独特方式为研究人员提供了对微小昆虫——甚至是大型哺乳动物——的流体动力学影响的新认识。这项挑战性的研究成果发表在《美国国家科学院院刊》上，题为“从蝉到大象：生命中的流体排泄统一”。

多年来，Bhamla教授及其研究团队一直在进行液体排泄的跨物种研究，最终在arXiv预印本上发表了一份综述，涵盖了从微小真菌到巨大鲸鱼的各种生物。通过他们的研究框架，揭示了液体排泄在不同生物中的多种功能，包括排泄、毒液喷射、捕食行为、孢子传播以及植物树汁排放等。这些研究不仅突显了这些生物行为的多样性，还展示了在软体机器人、增材制造和药物传递等领域中的潜在应用价值。

由于蝉类是创造这种“高速射流”的最小动物，这项研究可能会在制造微型机器人或喷嘴方面产生深远的影响。考虑到蝉类的数量达到数以万亿计，它们的排泄物对生态系统的影响尚未被全面了解。除了在生物启发工程中发挥作用外，Bhamla教授还认为这些昆虫可能为生物监测应用提供了有益的启示。这项研究或许会在未来推动微型技术的发展，同时也为我们深入了解生态系统的微妙之处提供了新的视角。

Bhamla教授表示：“我们的研究已经绘制出了动物的排泄模式，涵盖了从微小的蝉类到巨大的大象的八个量级。我们已经确定了决定这些过程的基本约束和力量，为我们理解生命的基本过程提供了新的视角。这项工作不仅加深了我们对生物功能的理解，还为统一掌握生命的基本过程奠定了基础。”

蝉是这样尿尿的…… 图片来源：乔治亚理工学院（Saad Bhamla/Elio Challita）

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编译 | Wendy

审核 | Richard

参考资料略