蝉的尿也是笔直的水柱，不过蝉尿的喷射速度比人类快多了……

撰文 | Cloud

审校 | 阿娴

通常来说，我们人类和其他体重超过3千克的动物在排尿的时候，都会喷射出一条尿柱，而一些体重较轻、体型较小的动物（例如很多昆虫和小型哺乳动物）并不会喷出尿柱，它们的尿液都是一滴一滴的。

但是，蝉是一个例外！这些仅2克重的昆虫也会像大型哺乳动物那样——喷射出细长的尿柱。

蝉撒尿，图片来源：Wilson Walker

不仅如此，最新的研究还发现，蝉排尿时的水流很强大——它喷射尿液的速度可高达每秒3米，是这项新研究中评估的所有动物（包括大象、马等哺乳动物）中最快的！

蝉排尿的行为研究起来比较困难，因为它们通常带在树上高处，而且即使人们找到了它们，也很容易惊动它们，导致其飞走。图片来源：Jelbuilder

在秘鲁进行野外实地考察时，美国佐治亚理工学院的研究团队偶遇一棵被当地人称作“哭泣树”的树。有人觉得头上有液体了，然后大家抬头一看，树确实在“哭”，不过洒下的液体并非树汁，而是蝉尿——树上好多蝉一直在撒尿。

研究人员如获至宝，赶紧搬来一张桌子站上去拍摄高速视频，收集研究资料回去放慢分析。实验结果发现，蝉喷射出的尿液是水柱状的。研究人员觉得这很奇怪，因为蝉会在植物上吸取大量的木质部汁液，而有这样进食模式的昆虫一般都是“biu~”出一颗小尿珠。

大多数以木质部汁液为食的昆虫尿的是小水珠。图片来源：Georgia Institute of Technology

在此之前，该研究团队发现叶蝉就会尿出一颗小水珠，然后猛地弹射出去。这是因为，对小小的叶蝉而言，它排泄的孔口太小了，受表面张力的限制，无法一次排除较多较重的东西，投射水珠的排尿方式能够节省身体的能量。

投射小尿珠，图片来源：Saad Bhamla, TEDMonterey

相比之下，蝉算是一种体型较大的昆虫，体型大约是叶蝉的4~8倍，体内的肠道也较宽。此外，蝉每天要喝掉其体重300倍的木质部汁液，木质部汁液营养成分非常贫乏，95%都是水，这意味着蝉必须处理大量的汁液才能提取出足够的能量和营养物质，因此也就有大量的液体废物需要排出。 这些喷射还可以用于自卫。当受到威胁时，蝉会向入侵者喷射液体废物 。

排尿的方向也很灵活。图片来源：Georgia Institute of Technology

“一次排一滴尿需要很长时间，而且效率不高，”论文作者之一、佐治亚理工学院化学与生物分子工程博士生埃利奥·查利塔（Elio J. Challita）说道， “所以它们必须把那些液体喷射出去。”

“蝉雨”，图片来源：Jelbuilder

对于包括人类在内的较大物种而言，重力和惯性对于身体排出尿液的速度至关重要，并且可以轻松抵消表面张力。不过研究发现，蝉在这方面堪称王者，创下了相对于其体型而言最强喷射流的纪录。蝴蝶和蜜蜂也能喷出尿柱，但液体喷射速度不如蝉。

‍蝴蝶排尿，图片来源：Thomas Marent, David Weiller

和哺乳动物相比，蝉排尿的强度和速度是大象和人类的2~3倍。而为人们所熟知的实验室小白鼠体重大约是蝉的100倍，但排尿时却只能滴滴答答。

佐治亚理工学院化学与生化工程学院助理教授萨阿德·巴姆拉(Saad Bhamla)同时参与了这两次昆虫排泄研究，他表示蝉有一种特殊的肌肉，可以把液体废物从排泄小孔喷射出去。

2014年，佐治亚理工学院的研究团队还发现，体重超过3千克的哺乳动物都会在大约21秒内排空膀胱。是的，大象排尿的时间和小猫咪差不多。这个研究后来还获得了搞笑诺贝尔物理学奖。

21秒小便定律，图片来源：参考资料[10]

过去科学家更关注的是动物的进食行为，对排泄的了解目前还不是很透彻。虽然该研究团队最初研究昆虫的排泄只是出于好奇，但这方面的发现或许适用于软体机器人和制造领域，有助于开发出更先进的喷嘴（一种用来控制流体流动的装置）。

“昆虫是探索微观尺度流体处理的完美实验室，”美国弗吉尼亚理工大学的流体动力学家安妮·斯台普斯（Anne Staples）说道。

蝉的种类有3000多种，可分为两类：一年生蝉和周期蝉。一年生蝉每年夏天成熟，遍布全球。而生命周期更长的周期蝉属只有7个物种，其中3种有17年的生命周期，4种是13年的生命周期。佐治亚理工学院研究团队研究的蝉并非周期蝉，而是它们位于亚马逊的亲戚。

图片来源：参考资料[1]

今年春夏，数万亿只周期蝉将从美国东南部和中西部的土壤中钻出。有的在地下潜伏了13年，有的则是17年之久。到时候，在短暂的几周地面生活中，它们将放声高歌，尽情撒尿。

参考资料：

[1] Challita, E. J., & Bhamla, M. S. (2024). Unifying fluidic excretion across life from cicadas to elephants. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 121(13), e2317878121. doi: 10.1073/pnas.2317878121

[2] Bhamla, S. (2023, February 28). The fascinating physics of insect pee. Retrieved from https://www.ted.com/talks/saad_bhamla_the_fascinating_physics_of_insect_pee/transcript

[3] Katsnelson, A. (2024). Cicadas’ Emergence May Feel a Little Wet From the Power of Their Pee. N.Y. Times. Retrieved from https://www.nytimes.com/2024/03/11/science/cicadas-pee-stream.html

[4] Cicadas’ Unique Urination Unlocks New Understanding of Fluid Dynamics | Research. (2024, April 02). Retrieved from https://research.gatech.edu/feature/cicada-urination

[5] Daniel, A. (2024). Scientists studied how cicadas pee. Their insights could shed light on fluid dynamics. NPR. Retrieved from https://www.npr.org/2024/03/20/1239529315/cicadas-pee-urination-jets-new-research-microfluidics-3d-printing-experiments

[6] Of Engineering, G. T. C. (2024, March 11). The Unique Urination of Cicadas. Youtube. Retrieved from https://www.youtube.com/watch?v=6KBL7HHd1-o

[7] Borenstein, S. (2024). Cicadas are nature's weirdos. They pee stronger than us and an STD can turn them into zombies. Phys.org. Retrieved from https://phys.org/news/2024-04-cicadas-nature-weirdos-pee-stronger.html

[8] Jelbuilder. (2023, March 24). Cicada Pee: The bizarre phenomenon I experienced in the bush. Youtube. Retrieved from https://www.youtube.com/watch?v=u1BodTnp9os

[9] Press, S. B. |. A. (2024). Cicadas are nature's weirdos. They pee stronger than us and an STD can turn them into zombies. NBC10 Philadelphia. Retrieved from https://www.nbcphiladelphia.com/news/national-international/cicadas-facts-zombies-sexually-transmitted-disease/3818240

[10] Yang, P. J., Pham, J., Choo, J., & Hu, D. L. (2014). Duration of urination does not change with body size. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 111(33), 11932–11937. doi: 10.1073/pnas.1402289111

[11] Super-fast Insect Urination Powered by the Physics of Superpropulsion | Research. (2024, April 03). Retrieved from https://research.gatech.edu/super-fast-insect-urination-powered-physics-superpropulsion

[12] Tamisiea, J. (2024). Why Cicadas Power Spray Their Pee. Sci. Am. Retrieved from https://www.scientificamerican.com/article/why-cicadas-power-spray-their-pee

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