За достижения, которые сначала вызывают смех, а затем – раздумья
 Динамика жидкости при мочеиспускании  Элио Дж. Чаллита (Elio J. Challita)  М. Саад Бхамла (M. Saad Bhamla)  Панкадж Рохилла (Pankaj Rohilla) | Автомобиль Алкоголь Вера
Война Волосы Врачи
Геометрия Дети Женщины
Животные Запах Звук
Здоровье Кино Кладбище
Книга Космос Кофе Кошка
Лицо Мозг Мужчины
Музей Музыка Насекомые Общество Пенис
Предметы Продукты Психология
Птицы Разное Растения Секс Собака
Спорт Суд Техника Туалет
Финансы Цвет Экскременты /Реклама/ Шнобелевская премия - архив Динамика жидкости при мочеиспусканииМогут ли насекомые весом всего несколько граммов, выбрасывать жидкость струей, как более крупные млекопитающие? Элио Дж. Чаллита (Elio J. Challita), М. Саад Бхамла (M. Saad Bhamla), Технологический институт Джорджии, США, "Унификация выделения жидкости у всех живых существ: от цикад до слонов", "Прикладные биологические науки" (Applied Biological Sciences), 121 (13), 11 марта 2024. Питание и выделения — отличительные черты жизни. Хотя исследования насекомых, всасывающих жидкость, таких как мотыльки, комары и стрелки, часто сосредоточены на динамике питания, устранение отходов — несмотря на важную роль в экологической и метаболической регуляции организма — часто упускается из виду и менее изучено. Этот недооценённый аспект биологии, особенно у мелких организмов, заставляет нас пересмотреть и бросить вызов существующим парадигмам отходов животных. Наше исследование конкретно оспаривает модель выделения жидкости, ориентированную на млекопитающих, которая предполагает, что струйное выделение используется исключительно для животных весом более 3 кг из-за увеличенного поверхностного натяжения и вязких сил на микромасштабах. Мы обнаружили, что цикады (Cicadidae), весом около (2 г), могут образовывать жидкие струи, используя одни из самых маленьких известных диаметров отверстий — в среднем 350 мкм. Это контрастирует с крысами Вистар, которые весят примерно в 100 раз больше (от 200 до 450 г), но они выбрасывают отходы в виде капель или слабых струй. Кроме того, мы предлагаем перспективу энергетической динамики выделения цикад. В отличие от крошечных насекомых, питающихся соком ксилемы, таких как шарпшутеры (Cicadellidae), которые используют «капельное суперпропульсивное движение» для выброса отходов, цикады используют жидкие струи, несмотря на питание дефицитом питательных веществ соком ксилемы. Этот, примерно 95% вода требует значительной энергии для извлечения из-за своего отрицательного натяжения (<-1 МПа). Поведение цикад по струям показывает, что их больший размер тела не только снижает энергетические затраты на образование струи, но и позволяет им выделять большие объёмы жидкости, что подчёркивает ранее неизведанный аспект их биологии. Эти результаты подчёркивают уникальную стратегию цикад бить струёй, отражая их физиологические и экологические адаптации. Вдохновлённые этими открытиями, наша статья представляет объединяющую рамку для понимания жидкости у различных видов, открывая двери в экологические, морфоэволюционные и биомеханические направления исследований. Количественный анализ струи жидкости цикад в естественных условиях Цикады мочатся жидкими струями. Мы сообщаем о поведении струи цикад Fidicinoides sp. и Guyalna sp., питающихся чужеродными индийскими миндалями (Terminalia catappa) в перуанской Амазонии и Chremistica umbrosa в Сингапуре. Мы подробно количественно оценили их поведение струи. Цикады генерировали тонкие, непрерывные струи, диаметр 160–500 мкм с длительностью 80–560 мс. Средняя скорость струи для цикад примерно (от 0,6 до 3,16 м/с), а общий объём на одно событие выведения варьируется от (6–574 мкм). Цикады используют крупные цибарные мышцы и специализированную пищеварительную систему для обработки значительных объёмов ксилемной жидкости — до 300 их вес тела в день. Размерный анализ показывает, что инерциальные силы в первую очередь определяют поведение цикад с помощью числа Вебера от 2 до 90, числа Рейнольдса от 100 до 1 900, и Бонда 0,003–0,08. Энергетика и функциональность цикад Почему цикады, функционирующие в том же режиме, где доминирует поверхностное натяжение, что и другие питающиеся ксилемным соком (Во<1), используют струйное выделение вместо капельного? Это особенно поразительно, учитывая энергетически требовательный характер их рациона – ксилемного сока, который разбавлен питательными веществами и находится под отрицательным давлением. Мы предполагаем, что струйное выделение позволяет цикадам эффективно справляться с обеими этими пищевыми задачами одновременно. Цикады, одни из крупнейших насекомых в отряде полужесткокрылых, сталкиваются с иными физическими ограничениями, чем их более мелкие собратья, такие как цикады-стрелки. Эта разница в размерах существенно влияет на их механику питания и выделения. Например, самый крупный вид цикад, цикада-император (Megapomponia imperatoria), крупнее некоторых колибри. Такой размер обеспечивает цикадам меньшие энергетические затраты на создание жидкостных струй по сравнению с более мелкими насекомыми, которым требуется более высокое давление для потока жидкости. В частности, цикадам требуется значительно меньшее давление для выделения из-за большего размера их отверстий (от 160 до 500 мкм) по сравнению со стрелками (<100 мкм), поскольку необходимое давление в их задней кишке обратно пропорционально квадрату диаметра отверстия и прямо пропорционально длине задней кишки. Наш анализ согласуется с предыдущими выводами об аллометрическом масштабировании давления всасывания у насекомых, питающихся ксилемным соком. Таким образом, более крупные насекомые, питающиеся ксилемным соком, такие как цикады, тратят меньше энергии как на питание, так и на выделение, что делает струйный режим как энергетически эффективным, так и механически осуществимым. Более того, принципы механики жидкости указывают на то, что использование цикадами струй жидкости способствует быстрому выбросу больших объемов, повышая эффективность извлечения питательных веществ из ксилемного сока. Эта адаптация не только энергетически выгодна, но и соответствует их потребности в переработке больших объемов бедной питательными веществами пищи. Способность перерабатывать большие объемы может также восполнять запасы азота, критического элемента роста, которого, однако, мало в ксилеме растений (<0,01%). Более того, способность поглощать и выделять большие объемы потенциально позволяет цикадам вести полифагный образ жизни, обеспечивая доступ к широкому спектру растений-хозяев. Помимо их основных механизмов питания и выделения, эти струйные выделения могут также выполнять многофункциональные функции. Например, сообщалось, что взрослые цикады обрызгивают вторгшихся злоумышленников своими анальными струями, если их потревожить, а нимфальные цикады могут использовать обильное количество своих водянистых выделений для склеивания почвы с целью строительства подземных коридоров и камер, удаления грязи с покровов, а в некоторых редких случаях наблюдалось строительство надземных башен. Заключение Цикады, благодаря своей загадочной природе, издавна завораживали как художников, так и учёных, от Гомера до Дарвина. Эти насекомые бросают вызов множеству биологических парадигм: они обладают одними из самых длительных периодов развития – до 17 лет, входят в число крупнейших насекомых с размахом крыльев до 8 см, соперничая с небольшими колибри, и издают звуки, громкие, как бензопила (100 дБ), что делает их самыми громкими насекомыми. Наше исследование дополняет этот список, выявляя способность цикад выделять мощные струи жидкости, в отличие от образования капель, наблюдаемого у других полужесткокрылых. Эта способность к выбросу струй позволяет им эффективно перерабатывать скудный в питательном отношении ксилемный сок и делает их самыми маленькими из известных животных, способными формировать высокоскоростные струи в условиях, где доминирует поверхностное натяжение (Bo<1). Учитывая высокую плотность популяции в период вылета, влияние их экскреции жидкости на экосистему существенно и в значительной степени изучено, что открывает неисследованные перспективы для биомониторинга и биоинспирированной инженерии. Дальнейшие направления исследований связаны с изучением цикад в лабораторных условиях. Хотя данное исследование основано на наблюдениях и анализе в естественных условиях, культивирование цикад в лабораторных условиях на сегодняшний день оказалось затруднительным, что оставляет пробел в нашем всестороннем понимании энергетики их питания и механизмов выделения жидкости, особенно на стадиях развития, которые обычно проходят под землей. Размерная Bo–We структура, охватывающая 8 порядков величины, дает представление о динамике мочеиспускания, от капельного до струйного, у разных видов. Она не только подчеркивает, что цикады являются одними из самых маленьких организмов, способных производить высокоскоростные экскреторные струи, но и предполагает, что в будущем она может открыть пути для изучения разнообразных способов выделения жидкости у других организмов, выходящих за рамки экскреции и охватывающих такие функции, как охота, защита и распространение. Эта структура открывает перспективу для понимания процессов выделения жидкости в различных масштабах, подчеркивая замечательную приспособляемость и эффективность биологических систем. Элио Дж. Чаллит (Elio J Challitaа), Панкадж Рохилла (Pankaj Rohilla), М. Саад Бхамла (M Saad Bhamla), "Выбросы жидкости в природе", arXiv, 4 марта 2024. От микроскопических грибов до гигантских китов, выбросы жидкости – универсальное и сложное явление в биологии, выполняющее такие жизненно важные функции, как выделение животных, распыление яда, охота за добычей, распространение спор и потрошение растений. В этом обзоре подробно рассматривается сложная физика выбросов жидкости в различных масштабах, исследуются как активные системы, приводимые в движение мускульной силой, так и пассивные механизмы, приводимые в действие гравитацией или осмосом. Мы предлагаем модель, использующую безразмерные числа, для описания переходов от капельного к струйному и выяснения управляющих сил. Подчеркивая малоизученную область сложных выбросов жидкости, эта работа не только рационализирует задействованную биофизику, но и раскрывает потенциальные инженерные приложения в мягкой робототехнике, аддитивном производстве и доставке лекарств. Объединяя биомеханику, физику живых систем и гидродинамику, этот обзор предлагает ценную информацию о разнообразном мире выбросов жидкости и прокладывает путь для будущих биоинспирированных исследований во всем спектре жизни. В этом обзоре мы разрабатываем рамки для понимания выбросов жидкости в различных организмах и контекстах (рисунок 1). Хотя мы представляем широкий спектр биологических выбросов жидкостей, наша цель — не дать всесторонний обзор. Вместо этого мы сосредотачиваемся на рационализации огромного разнообразия жидких выбросов в терминах 1) участвующих организмов (от грибов до китов); 2) биологические функции, выполняемые (выделение, охота, защита, хищничество, расселение и др.); 3) используемые механизмы (катапультирование, насос, разрушение); 4) их физические и временные масштабы (микроны до метров, миллисекунды до секунд); и (5) характеристики жидкости (вязкоэластичность, адгезия, химическая реакция и др.). Мы уделяем особое внимание тому, как биологические организмы справляются с флюидными силами на разных физических масштабах, сосредотачиваясь на выявлении доминирующих сил с помощью безмерных чисел и анализе того, как эти силы формируют выброшенные жидкости. В некоторых случаях мы предлагаем предварительные количественные и порядочные анализы и гипотезы в областях, где выбросы жидкости недостаточно изучены или не до конца изучены. Мы исключаем некоторые темы, такие как анатомия и эволюционная история жидких выбросов, из сферы данного обзора. Мы надеемся, что биологи, особенно те, кто интересуется транспортом биофлюидов организмов, а также физики и инженеры, стремящиеся применить эти принципы к инженерным задачам, найдут это исследование значимым. 06.12.2025 Комментарий:
Источник - пресса |
| (c) 2010-2025 Шнобелевская премия | ig-nobel@mail.ru |