研究人员发现蝉的排尿方式是强力喷射而不是滴落

佐治亚理工学院的研究人员发现，蝉与其他木质部树液吸食者不同，它的排尿方式是强力喷射而不是滴落。这一观察结果是在秘鲁的实地考察中发现的，它挑战了有关昆虫排尿和能量使用的既定认知，这一发现还可用于制造更好的机器人和小型喷嘴。

蝉是夏天的背景音乐，但它们的尿液比音乐更特别。它们不是洒下水珠，而是从小小的身体里喷射出尿液。多年来，佐治亚理工学院的研究人员一直希望了解蝉独特的排尿方式。

化学与生物化学工程学院助理教授萨阿德-巴姆拉（Saad Bhamla）和他的研究小组希望有机会研究蝉的排泄物。然而，虽然蝉很容易被听到，但它们躲在树上，很难被观察到。因此，看到蝉撒尿是一件非常难得的事情。Bhamla 的团队只在 YouTube 上看到过这一过程。

后来，在秘鲁进行实地考察时，研究小组很幸运：他们看到无数蝉在树上撒尿。

这一瞬间的观察足以推翻两种主要的昆虫撒尿模式。首先，蝉吃木质部的汁液，而大多数木质部食虫只以液滴的形式撒尿，因为排出汁液消耗的能量较少。然而，蝉是如此贪婪的食者，单独弹开每一滴尿液会造成太大的负担，而且无法从树液中提取足够的营养。

巴姆拉实验室的前博士生、现哈佛大学博士后研究员埃利奥-查利塔说："我们的假设是，如果昆虫排尿从液滴形成过渡到喷射需要更多的能量，昆虫必须为此注入更多的速度。"

其次，较小的动物应该以水滴的形式撒尿，因为它们的尿孔太小，无法排出较浓的尿液。由于蝉的体型较大（翼展可与小型蜂鸟媲美），它们用较少的能量就能喷射出尿液。

"以前的理解是，如果一只小动物想要喷射水柱，那么这就会变得有点困难，因为动物需要消耗更多的能量来迫使流体以更高的速度流出。这是由于表面张力和粘滞力造成的。但体型较大的动物可以依靠重力和惯性力来撒尿，"Challita 说。

蝉的喷水能力让研究人员对流体动力学如何影响这些微小昆虫甚至大型哺乳动物有了新的认识。研究人员于 3 月 11 日这一周在《美国国家科学院院刊》上发表了一篇题为"从蝉到大象，统一生命中的流体排泄"的论文，对这一范式提出了挑战。

多年来，该研究小组一直在研究不同物种的流体喷射现象，并在最近发表的一篇arXiv预发表论文中阐述了从微小真菌到巨型鲸鱼的这一现象。他们的研究框架揭示了流体喷射的多种功能，如排泄、喷射毒液、捕食猎物、孢子散播和植物内脏排泄等，凸显了流体喷射在软机器人、增材制造和药物输送领域的潜在应用。

蝉是能产生高速射流的最小动物，因此它们有可能为在微型机器人/喷嘴中制造射流的应用提供信息。由于蝉的个体数量高达上万亿，群体的流体喷射对生态系统的影响是巨大的，但尚不可知。除了生物启发工程学，巴姆拉认为这些小动物还能为生物监测应用提供信息。

他说："我们的研究绘制了动物的排泄模式图，从微小的蝉到庞大的大象，跨越了八个等级。我们已经确定了决定这些过程的基本制约因素和力量，为理解排泄原理提供了一个新的视角，而排泄是所有生命系统的一项关键功能。这项工作不仅加深了我们对生物功能的理解，还为统一支配生命基本过程的基本原理铺平了道路。"

美国国家科学基金会（U.S. National Science Foundation）项目主任米里亚姆-阿什利-罗斯（Miriam Ashley-Ross）说："生物学和生命形式的多样性有可能推动从医疗保健到制造业和其他关键行业的进步。这项工作表明，即使是生物处理废物的方式，也能为流体动力学提供新的见解，从而推动软机器人技术的创新，以及在各种制造业中以小规模处理流体的方法。它还表明，对于蝉这种经常被新闻报道的生物，我们还有很多东西需要学习。"