أول مثال معروف على “ الدفع الفائق ” الحشرة التي تقذف بالبول بمنجنيق بعقب
توصلت دراسة جديدة إلى أن أقارب السيكادا المعروفين باسم حشرات القاذف يمكن أن يقذفوا قطرات البول بسرعات فائقة ، مما يكشف عن أول مثال معروف عن “الدفع الفائق” في الطبيعة.
لاحظ العلماء أن هذا التأثير المكتشف حديثًا يساعد الحشرات على توفير الطاقة أثناء التبول وقد يلهم أجهزة تنظيف ذاتي أفضل ومحركات روبوتية ناعمة.
في الدراسة الجديدة ، فحص الباحثون أقارب السيكادا المعروفين باسم قناصون ذو أجنحة زجاجية (يفتح في علامة تبويب جديدة) (Homalodisca vitripennis). هذه الحشرات ، التي يبلغ طولها حوالي نصف بوصة (1.2 سم) ، تتغذى على النسغ من نسيج الخشب ، وهو الجزء الخشبي من النبات الذي يجلب الماء والمغذيات المذابة من الجذور ، على عكس اللحاء ، الذي ينزل السكر من الجذور. أوراق.
يتكون النظام الغذائي للقاذف من 95٪ من الماء ، ويفتقر إلى العناصر الغذائية. لذا فإن الحشرات تشرب نسغ نسيج الخشب باستمرار للحصول على ما يكفي من الطعام ، وتتبول ما يصل إلى 300 ضعف وزن جسمها يوميًا. (للمقارنة ، يتبول البشر حوالي واحد على أربعين من وزنهم في اليوم).
وأشار الباحثون إلى أنه على الرغم من معرفة الكثير عن آليات الأكل ، إلا أن الكثير لا يزال غير معروف عن فيزياء الإخراج. ركزوا على القناصين لمعرفة ما إذا كانت أجسامهم الصغيرة قد طورت أي ابتكارات ذكية للتعامل مع “مطر نطاط الأوراق” باستمرار.
متعلق ب: السبب الغريب أن الدلافين تشرب بول بعضها البعض
“رأيت هذه الحشرات تتبول مرة واحدة ووقعت في الحب” ، هذا ما قاله أحد كبار مؤلفي الدراسة سعد بحملة (يفتح في علامة تبويب جديدة)قال عالم الفيزياء الحيوية في معهد جورجيا للتكنولوجيا في أتلانتا لـ Live Science.
استخدم العلماء مقاطع فيديو عالية السرعة وفحصًا مجهريًا لتحليل هيكل في نهاية ذيل القناص ، يُطلق عليه تقنيًا القلم الشرجي ، أو كما أطلق عليه بهاملا ، “وميض بعقب”. عندما تكون الحشرة جاهزة للتبول ، ينثني القلم لأسفل لإفساح المجال لأن الحشرة تضغط على قطرة من البول. عندما يصل القطرة إلى الحجم الأمثل ، ينحني القلم للأسفل أكثر ، وبعد ذلك ، مثل زعانف آلة الكرة والدبابيس ، يطلق القطرة ، متسارعة أكثر من 40 جرامًا – أعلى 10 مرات من أسرع السيارات الرياضية.
وجد الباحثون أن القلم ينتقل بسرعة تصل إلى 0.75 قدمًا في الثانية (0.23 مترًا في الثانية). ومع ذلك ، فإن القطرات المنجنيق تطير أسرع بنحو 40٪ ، بسرعة تصل إلى 1.05 قدمًا في الثانية (0.32 م / ث).
يكشف الاكتشاف عن حدوث تأثير يسمى الدفع الفائق ، والذي شوهد سابقًا فقط في البيئات الاصطناعية. مع الدفع الفائق ، تتحرك المقذوفات المرنة بشكل أسرع من لوحة الإطلاق بسبب زيادة الطاقة التي تتلقاها من مزامنة حركاتها مع تلك الموجودة في لوحة الإطلاق ، مثل غواص يوقّع قفزة من منصة انطلاق.
على وجه التحديد ، وجد العلماء أن القلم يضغط على القطرات ، ويخزن الطاقة في توترها السطحي قبل الإطلاق مباشرة للمساعدة في قذفها بسرعات عالية. التوتر السطحي هو القوة التي تجبر قطرات السائل على التشتت ، وينتج عن مدى تماسك جزيئات السوائل ببعضها البعض على عكس شيء آخر ، مما يجعل أسطح السوائل تعمل مثل الأغشية المرنة.
“غالبًا ما نتجاهل الإفراز لأنه من المحرمات أو السخيفة ، ولكنه وظيفة بيولوجية مهمة شبيهة بالتغذية التي لها آثار حيوية وتطورية وبيئية مهمة” ، كما قال المؤلف الأول للدراسة إليو شاليتا (يفتح في علامة تبويب جديدة)قال عالم الفيزياء الحيوية في معهد جورجيا للتكنولوجيا لـ Live Science. “ما بدأ كملاحظة غريبة لآلية التبول غير العادية كشفت عن المثال الأول للدفع الفائق في كائن حيوي.”
لمعرفة سبب قيام القناصين بقذف قطرات البول بدلاً من رش البول في نفاثات ، استخدم الباحثون فحوصات التصوير المقطعي المحوسب لتحليل تشريح الحشرات وأخذ القياسات من داخل الحشرات. ساعد هذا الفريق في حساب الضغط والطاقة التي تحتاجها الحشرات للتبول ، وكشف أن الدفع الفائق يتطلب طاقة أقل بأربع إلى ثماني مرات مما تتطلبه الطائرات.
قد تساعد هذه النتائج المهندسين في بناء أجهزة يمكنها تنظيف نفسها بطاقة أقل. قال شاليتا: “غالبًا ما تلتصق قطرات الماء بالأسطح بسبب التوتر السطحي ، وهو أمر قد يكون غير مرغوب فيه في العديد من السياقات ، مثل التنظيف ومنع الإضرار بالإلكترونيات”. “يوفر الدفع الفائق للقطرات طريقة لإخراج القطرات من الأسطح عن طريق اهتزاز السطح إلى التردد الاهتزازي للقطرات.”
بالإضافة إلى ذلك ، قد تساعد النتائج في تحسين كفاءة المحركات التي تستخدمها الروبوتات اللينة والمرنة في الحركة ، على حد قول تشاليتا. بشكل عام ، “يمكننا اكتشاف بعض الأشياء المدهشة في ساحاتنا الخلفية – علينا فقط أن ننظر عن كثب ،” قال بهاملا.
قام العلماء بتفصيل النتائج التي توصلوا إليها على الإنترنت في 28 فبراير في المجلة اتصالات الطبيعة (يفتح في علامة تبويب جديدة).
