mayo 20, 2024

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Micción rápida de insectos contundentes usando ‘butt flash’

Micción rápida de insectos contundentes usando ‘butt flash’

Un insecto lanzado forma una gota de orina antes de expulsarla a gran velocidad. Crédito: Instituto de Tecnología de Georgia

Los diminutos insectos conocidos como francotiradores excretan arrojando gotas de orina con una aceleración increíble. Su secreción es el primer ejemplo de superestimulación descubierto en un sistema biológico.

Saad estaba caminando en su patio trasero cuando notó algo que nunca había visto antes: un insecto orinando. Aunque era casi imposible verlo, el insecto formó una gota casi perfectamente redonda en su cola y luego la disparó con tal velocidad que pareció desaparecer. El pequeño insecto se consoló una y otra vez durante horas.

En general, se acepta que lo que sucede debe mostrarse, por lo que cuando se trata de dinámica de fluidos en animales, la investigación se centra principalmente en la nutrición en lugar de la excreción. Pero Bhamla, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular de Georgia Tech, tuvo el presentimiento de que lo que vio no era insignificante.

«Se sabe poco sobre la dinámica de fluidos de la secreción, a pesar de su influencia en la morfología, la energía y el comportamiento de los animales», dijo Bhamla. «Queríamos ver si este pequeño insecto hizo alguna ingeniería inteligente o innovaciones físicas para orinar de esta manera».

Micción rápida de insectos.

Dos francotiradores sobre una planta orinando a gotas (a toda velocidad). Crédito: Instituto de Tecnología de Georgia

Bhamla y Elio Challita, un estudiante de posgrado en bioingeniería, investigaron cómo y por qué los caníbales con alas de cristal, diminutas plagas famosas por propagar enfermedades en los cultivos, excretan de la forma en que lo hacen. Usando dinámica de fluidos computacional y experimentos biofísicos, los investigadores han estudiado los principios de la secreción biomecánica, energética y de fluidos, revelando cómo un insecto más pequeño que la punta de un dedo meñique puede realizar un gran avance en la física y la bioingeniería: la superpropulsión. Su investigación fue publicada en la revista el 28 de febrero de 2023.

Small but Mighty: Observing Insect Excretion

The researchers used high-speed videos and microscopy to observe precisely what was happening on the insect’s tail end. They first identified the role played by a very important biophysical tool called an anal stylus, or, as Bhamla termed, a “butt flicker.”

Super-Fast Insect Urination Slow Motion

A sharpshooter insect uses its anal stylus to catapult a urine droplet at high acceleration (slow motion). Credit: Georgia Institute of Technology

Challita and Bhamla observed that when the sharpshooter is ready to urinate, the anal stylus rotates from a neutral position backward to make room as the insect squeezes out the liquid. A droplet forms and grows gradually as the stylus remains at the same angle. When the droplet approaches its optimal diameter, the stylus rotates farther back about 15 degrees, and then, like the flippers on a pinball machine, launches the droplet at incredible speed. The stylus can accelerate more than 40Gs – 10 times higher than the fastest sportscars.

“We realized that this insect had effectively evolved a spring and lever like a catapult and that it could use those tools to hurl droplets of pee repeatedly at high accelerations,” Challita said.

Then, the researchers measured the speed of the anal stylus movement and compared them to the speed of the droplets. They made a puzzling observation: the speed of the droplets in air was faster than the anal stylus that flicked them. They expected the droplets to move at the same speed as the anal stylus, but the droplets launched at speeds 1.4 times faster than the stylus itself. The ratio of speed suggested the presence of superpropulsion – a principle previously shown only in synthetic systems in which an elastic projectile receives an energy boost when its launch timing matches the projectile timing, like a diver timing their jump off a springboard.

Luego de una observación adicional, descubrieron que la pluma comprime las gotas, almacenando energía debido a la tensión superficial justo antes de la liberación. Para probar esto, los investigadores colocaron gotas de agua en un altavoz y usaron vibraciones para comprimirlas a altas velocidades. Descubrieron que cuando se liberan pequeñas gotas de agua, almacenan energía debido a la tensión superficial inherente. Y si es el momento adecuado, las gotas pueden lanzarse a velocidades extremadamente altas.

Pero la pregunta de por qué los francotiradores orinan en gotas quedó sin respuesta. La dieta casi no contiene calorías, excepto el xilema, un líquido pobre en nutrientes que contiene solo agua y pocos minerales. Beben hasta 300 veces su peso corporal en tejido de xilema por día y, por lo tanto, deben beber constantemente y excretar eficientemente su efluente, que es 99% agua. Por otro lado, varios insectos también se alimentan exclusivamente de la savia del xilema pero pueden excretar en chorros potentes.

El equipo envió muestras de francotiradores a un laboratorio especializado. La tomografía microcomputarizada permitió a Bhamla y Challita estudiar la morfología del cannabis y tomar medidas desde el interior de los insectos. Usaron la información para calcular la presión requerida por el caníbal para empujar el fluido a través de su canal anal muy pequeño y para determinar la cantidad de energía requerida para orinar.

Su investigación revela que la eyección de gotas superpropulsadas sirve como una estrategia para que los tiradores conserven energía en el ciclo de alimentación y excreción. Los caníbales enfrentan importantes desafíos de dinámica de fluidos debido a su pequeño tamaño y limitaciones de energía, y mojar las gotas es el método de excreción más eficiente desde el punto de vista energético.

insecticida ultrarrápido

Francotirador en planta de albahaca. Crédito: Instituto de Tecnología de Georgia

Aplicaciones prometedoras de superpropulsores de insectos

Estudiar cómo los francotiradores usan el hiperempuje también podría proporcionar información sobre cómo diseñar sistemas que superen la adherencia y la viscosidad con menos energía. Un ejemplo son los dispositivos electrónicos portátiles de baja potencia que expulsan agua, como un reloj inteligente que usa las vibraciones de los parlantes para repeler el agua del dispositivo.

«El tema de este estudio puede parecer caprichoso y místico, pero a través de investigaciones como esta obtenemos información sobre los procesos físicos en escalas de magnitud más allá del rango de nuestra experiencia humana normal», dijo Miriam Ashley Ross, directora de programas en la Dirección de Biología. Science de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., que financió parcialmente el trabajo. «A lo que se enfrentarán los francotiradores será como tratar de obtener una bola de jarabe de arce del tamaño de una pelota de playa que se nos quedó atascada en las manos. La forma eficiente en que estos diminutos insectos han desarrollado para resolver el problema puede conducir a soluciones bioinspiradas para la eliminación de solventes». en pequeñas aplicaciones de fabricación, como la electrónica o la eliminación del agua rápidamente de superficies estructuralmente complejas”.

El mero hecho de que los insectos orinen es convincente por sí solo, principalmente porque la gente no piensa mucho en ello. Pero al aplicar la lente de la física a un proceso microbiológico cotidiano, el trabajo de los investigadores revela nuevas dimensiones para apreciar pequeños comportamientos más allá de lo que parece.

“Este trabajo refuerza la idea de que la ciencia impulsada por la curiosidad es valiosa”, dijo Shallita. «Y el hecho de que hayamos descubierto algo tan intrigante, la hiperbolización de las gotas en un sistema biológico y las hazañas heroicas de la física que tienen aplicaciones en otros campos, lo hace aún más fascinante».

Referencia: «Propulsión de supergotas en un insecto fuertemente restringido» por Elio J. Shalita, Prateek Segal, Rodrigo Krugner y Saad Bhamla, 28 de febrero de 2023, disponible aquí. Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41467-023-36376-5

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