Le cicale sono la colonna sonora dell'estate, ma la loro pipì è più speciale della loro musica. Invece di spruzzare goccioline, emettono getti di urina dalle loro piccole strutture. Per anni, i ricercatori della Georgia Tech hanno voluto comprendere la particolarità della minzione della cicala.
Saad Bhamla, assistente professore presso la Scuola di Ingegneria Chimica e Biochimica, e il suo gruppo di ricerca speravano in un'opportunità per studiare l'escrezione fluida di una cicala. Tuttavia, anche se le cicale si sentono facilmente, si nascondono sugli alberi, rendendole difficili da osservare. In quanto tale, vedere la pipì di una cicala è un evento. Il team di Bhamla aveva guardato il processo solo su YouTube.
Poi, mentre svolgevano ricerche sul campo in Perù, il team ha avuto fortuna:hanno visto numerose cicale su un albero, che facevano pipì.
Questo momento di osservazione è stato sufficiente per confutare due principali paradigmi della pipì degli insetti. In primo luogo, le cicale mangiano la linfa dello xilema e la maggior parte di coloro che si nutrono di xilema fanno pipì solo in goccioline perché utilizza meno energia per espellere la linfa. Le cicale, tuttavia, sono mangiatore così voraci che buttare via ogni goccia di pipì individualmente sarebbe troppo faticoso e non estrarrebbe abbastanza nutrienti dalla linfa.
"Il presupposto era che se un insetto passa dalla formazione di goccioline a un getto, richiederà più energia perché l'insetto dovrebbe iniettare più velocità", ha detto Elio Challita, ex Ph.D. studente nel laboratorio di Bhamla e attuale ricercatore post-dottorato presso l'Università di Harvard.
In secondo luogo, ci si aspetta che gli animali più piccoli facciano pipì sotto forma di goccioline perché il loro orifizio è troppo piccolo per emettere qualcosa di più denso. A causa delle dimensioni maggiori delle cicale, con un'apertura alare che può rivaleggiare con quella di un piccolo colibrì, utilizzano meno energia per espellere la pipì con getti.
"In precedenza, si sapeva che se un piccolo animale vuole espellere getti d'acqua, allora questo diventa un po' impegnativo, perché l'animale spende più energia per forzare l'uscita del fluido a una velocità maggiore. Ciò è dovuto alla tensione superficiale e alle forze viscose . Ma un animale più grande può fare affidamento sulla gravità e sulle forze inerziali per fare pipì," ha detto Challita.
La capacità delle cicale di lanciare getti d'acqua ha offerto ai ricercatori una nuova comprensione di come la dinamica dei fluidi influisce su questi minuscoli insetti e persino sui grandi mammiferi. I ricercatori hanno pubblicato questa sfida al paradigma come un breve, "Unifying Fluidic Excretion Across Life from Cicadas to Elephants", in Proceedings of the National Academy of Sciences .
Per anni, il gruppo di ricerca ha studiato l'eiezione di fluidi tra le specie, culminando in un arXiv prestampa che caratterizza questo fenomeno, dai funghi microscopici alle balene colossali. La loro struttura rivela diverse funzioni, come l'escrezione, l'irrorazione del veleno, la caccia alle prede, la dispersione delle spore e la guttazione delle piante, evidenziando potenziali applicazioni nella robotica morbida, nella produzione additiva e nella somministrazione di farmaci.
Le cicale sono gli animali più piccoli in grado di creare getti ad alta velocità, quindi possono potenzialmente informare le applicazioni nella creazione di getti in minuscoli robot/ugelli. E poiché la loro popolazione raggiunge migliaia di miliardi, l’impatto sull’ecosistema della loro espulsione di fluidi è sostanziale ma sconosciuto. Oltre all'ingegneria bio-ispirata, Bhamla ritiene che le creature potrebbero anche informare le applicazioni di biomonitoraggio.
"La nostra ricerca ha mappato i modelli escretori degli animali, coprendo otto ordini di scala, dalle minuscole cicale agli enormi elefanti", ha affermato.
"Abbiamo identificato i vincoli e le forze fondamentali che dettano questi processi, offrendo una nuova lente attraverso la quale comprendere i principi dell'escrezione, una funzione fondamentale di tutti i sistemi viventi. Questo lavoro non solo approfondisce la nostra comprensione delle funzioni biologiche, ma apre anche la strada modo per unificare i principi sottostanti che governano i processi essenziali della vita."
Ulteriori informazioni: Elio J. Challita e M. Saad Bhamla, Unificare l'escrezione fluidica nella vita dalle cicale agli elefanti, Atti dell'Accademia nazionale delle scienze (2024). DOI:10.1073/pnas.2317878121. doi.org/10.1073/pnas.2317878121
Informazioni sul giornale: Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , arXiv
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