小さな虫がお尻で尿を発射する様子をご覧ください

トイレの仕方は生き物ごとに異なります。トラやペンギンは消火ホースを噴射するほどの発射排泄物で知られていますが、ウォンバットは立方体で排泄し、ナマケモノは月に一度しか排泄せず、木に穴を開ける貝の中には、排泄物の煙突を使って巣を作るものもいます。

すべての動物、昆虫でさえも排泄物を出す必要がある。結局、体内に入ったものは、最終的には体外に出ることになる。ジョージア工科大学の生体力学専門家、サード・バムラ氏は、自宅の裏庭で虫が排尿している珍しい光景を目にした後、その虫がどのようなメカニズムで排泄しているのか興味を持った。バムラ氏は、虫が尻尾にほぼ完璧な丸い水滴を作って素早く飛び去る様子を観察した。このパターンが何時間も繰り返された。

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さらに詳しく知るために、バムラ氏と生物工学の大学院生エリオ・チャリタ氏は、アーモンド、ワイン、柑橘類などの作物に病気を広めることで悪名高い、1ミリメートルサイズの昆虫、ガラス状の羽を持つ狙撃虫を研究した。小指の先よりも小さいが、その排泄物のメカニズムは超推進力を生み出すことができる。これは物理学と生物工学の偉業である。2月28日にネイチャー・コミュニケーションズ誌に掲載された彼らの研究は、生物系におけるこの現象の初めての観察と説明を述べている。

「排泄の流体力学は動物の形態、エネルギー、行動に影響を及ぼすにもかかわらず、ほとんど知られていない」とバムラ氏は声明で述べた。「私たちは、この小さな昆虫がこのように排尿するために、何か巧妙な工学的または物理学的な革新を思いついたかどうかを確認したかったのです。」

シャープシューターは、植物の木部液と呼ばれる栄養分の乏しい液体をほぼゼロカロリーの食事として食べます。この液体には水分と微量のミネラルしか含まれておらず、シャープシューターは 1 日に体重の 300 倍もの量を木部液として飲みます。生き残るためには、絶えず水を飲み、ほとんどが水である液体の老廃物を効率的に排泄する必要があります。

この研究では、研究チームは高速ビデオと顕微鏡を使用して、昆虫の尾に何が起こっているかを正確に観察しました。

まず、科学者たちは肛門の針、またはチームが「バット フリッカー」と呼ぶ針の役割に注目しました。スナイパーが排尿する準備ができると、バット フリッカーは中立位置から後方に回転し、液体を絞り出すためのスペースを作ります。フリッカーが同じ角度を維持すると、液滴が形成され、徐々に大きくなります。液滴が最適な直径、つまり丸みを帯びると、フリッカーはさらに約 15 度後方に回転し、40 G を超える速度で液滴を発射します。これは、最速のスポーツカーの 10 倍の速度です。

「この昆虫は、カタパルトのようなバネとてこを効果的に進化させ、それらの道具を使って尿の滴を高加速度で繰り返し発射できることがわかった」とチャリタ氏は語った。

次に、バットフリッカーの速度を測定し、それを液滴の速度と比較しました。液滴とバットフリッカーは同じ速度で移動すると予想しましたが、実際には、空気中の液滴の速度は、それらを弾くバットフリッカーよりも速いことがわかりました。この速度比は、これまで合成システムでのみ示されていた超推進と呼ばれる原理の存在を示唆しています。これは、ダイバーが飛び込み台の踏み台から飛び降りるタイミングを計るのと同じように、弾力のある発射体が発射と発射のタイミングが一致するとエネルギーが増加するときに発生します。

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よく観察してみると、バットフリッカーは発射直前に水の表面張力によってエネルギーを蓄えた水滴を圧縮していることがわかりました。これをテストするために、彼らはオーディオスピーカーの上に水滴を置き、音の振動を利用して水滴を高速で圧縮しました。小さなスケールでは、水滴は固有の表面張力によってエネルギーを蓄えます。落下時にタイミングが正しければ、水滴は極めて高速で発射することができます。

スナイパーがなぜ飛沫で排尿するのかを解明するため、バムラ氏とチャリタ氏は、スナイパーの形態のマイクロCTスキャンを研究し、昆虫の体内を計測した。彼らは、スナイパーが極めて狭い肛門管から液体を押し出すのに必要な圧力を計算し、飛沫で排尿することがスナイパーにとって最もエネルギー効率の良い排泄方法であることを突き止めた。

研究チームは、排泄物が動物の大きさ、行動、進化にどのように影響するかをより深く理解することで、作物の損失を防ぐことができると期待している。シャープシューターの排泄物は媒介生物監視ツールになる可能性があり、シャープシューターのような虫の蔓延は気候変動によって悪化する可能性が高い。

「この研究は、好奇心から生まれた科学が価値あるものだという考え方を補強するものです」とチャリタ氏は言う。「そして、私たちが非常に興味深いもの、つまり生物系における液滴の超推進力や、他の分野にも応用できる物理学の偉業を発見したという事実は、この研究をさらに魅力的なものにしています。」