原文標題：《一天排尿量是體重的 300 倍！它賴以生存的“彈尿”技巧，甚至能用于發射宇宙飛船》

當一類昆蟲尿尿的方法，可以用于火箭上的航天器發射時，我們可能需要好好看它一眼了。

撰文 | clefable

審校｜王昱

當 Saad Bhamla 和美國農業部（USDA）的同事一起研究一種惡名在外的昆蟲時，可能不會想到他們會為這種昆蟲高超的彈尿的技巧所折服，且還因此發了一篇頂刊文章 —— 已于近期發表在《自然?通訊》上。

彈尿速度，過快

這種昆蟲正是葉蟬，體長只有數毫米，平常就棲息在綠色的植物枝葉間，不仔細看就很難發現它們。不過科學家不能忽視這種昆蟲，因為它們傳播的植物病毒已經嚴重威脅了葡萄酒產業和柑橘產業。

Saad Bhamla 是美國佐治亞理工學院的生物分子工程師，在首次觀察葉蟬時，他和他的博士生 Elio Challita 就察覺到這種小小的害蟲一直在重復做某件事情，但肉眼幾乎跟不上。他們架起了高速攝像機，這才在鏡頭下發現葉蟬一直在高速彈射尿滴。因為葉蟬這一有趣的行為，他們給它取了一個昵稱 ——“神槍手”（sharpshooter）。

葉蟬其實和蚊子很像，它們的食物都是液體，只不過一個是抽抽人或動物的血，一個是抽植物的“血”—— 木質部汁液。和蚊子能傳播疾病一樣，葉蟬在扎進植物的表皮后，也會傳遞一些病毒，導致植物患病。

對于葉蟬來說，植物木質部汁液的營養遠遠比不過動物的血液，其中 95% 都是水，且匱乏營養。蚊子雖然可能比較容易吃飽，但每次吃飯時都冒著死亡風險；葉蟬的則身陷另一種困境 —— 不努力吃飽，絕對會死。很難比較葉蟬和蚊子的生存難度誰更大。Bhamla 和同事發現，葉蟬為了生存，每天需要大量攝入植物的木質部汁液（相當于人只喝檸檬水），它們每天的排尿量直接飆升到了體重的 300 倍。相比之下，人每天的排泄量只有體重的 1/40。

看著葉蟬生活得這么努力，研究人員就給它們計算了一下一天的能量收支。首先是能量收入，植物的汁液是它們唯一攝入的能量。其余的則都是能量支出，包括為了抽取處于處于負張力（≤-1Mpa）的木質部汁液，它們需要調動巨大的紋狀肌，這個過程就會消耗大量能量。隨后，葉蟬還需要一個高效的消化系統來汲取木質部液體中的營養物，這又會耗費很多能量 —— 經過這一過程后，這些液體會“純化”為含水量高達 99% 的尿液，真的有可能比雨水還要干凈。

生存必需的技巧

為了給攝入汁液留出足夠得空間，葉蟬還需要不斷地高效排除液體，這也需要耗能。經過計算后，他們發現葉蟬攝入汁液和攝取營養的過程會消耗大量的能量，而它們排尿只能使用很少的能量 —— 只有這樣才不會入不敷出，能繼續存活。

不過，葉蟬也不能因為想省力就就近排尿，這可能導致尿液中的病原體就近生長，威脅它們的生存。此外，尿液含有的一些化學信息素會引來潛在的捕食者，比如葉蟬的天敵寄生黃蜂。一切好在，葉蟬在排尿方面確實是省量的天才 —— 可以用超低的能量成本，將尿液以特殊的方式彈遠，從而重復實現高效排尿。

在詳細揭秘葉蟬的排尿機制之前，我們可以先了解下一種常見的排尿方式 —— 射流。科學家曾發現，對于排泄或排水孔徑大于 100μm 的動物，例如哺乳動物、射水魚和大型昆蟲，在捕獵時或排尿會依靠慣性力形成射流或大塊液體。

葉蟬的近親蟬就會采取這樣的方式，但對于葉蟬來說，這種方式耗能太多了。它們的方法是先形成尿滴，隨后利用超級推進（super propulsion）來將尿滴彈射出去。超級推進是一個工程學中的概念，指的是在超疏水表面上，具有彈性的彈丸（例如尿滴）可以超過超疏水表面移動的最大速度，以更高的速度噴射出去。

在實驗室中，Bhamla 等研究了“玻璃翼神槍手”—— 一種名為 Homalodisca vitripennis 的葉蟬（擁有透明的翅膀，身體呈紅褐色），并仔細觀察了它負責彈射尿液的身體結構，揭示了其彈尿得完整過程和細節。他們發現“玻璃翼神槍手”在排尿時，其尾部的肛門觸針（anal stylus）相對于正常狀態會有一個夾角 θ，而這個角度的變化能反映它彈射尿液的 3 個階段：形成尿滴、加載彈性和噴射尿滴。

在肛門觸針的底部和頭部，分別是節肢彈性蛋白（resilin）和感受器（尾須）。在尿滴形成階段，在節肢彈性蛋白的幫助下，葉蟬肛門觸針會彎曲一個較大的角，隨后尿滴開始排出，在約 80 毫秒后，尿滴直徑能達到 0.73 毫米左右。在這一過程中，肛門觸針的角度一直都會保持恒定。隨著尿滴的增大，當它靠近有毛的感受器時，肛門觸針會再彎曲大約 15 度。這樣才算加載完尿滴。

隨后，尿滴就進入發射階段了。在這一階段的起始，感受器會協調肛門觸針和液滴的頻率，隨后肛門觸針迅速加速。與此同時，有彈性的尿液會被壓縮，并被快速彈了出去。肛門觸針動的有多快呢？首先，它的加速度可以達到獵豹加速度（大概是 8~10m / s2）的 40 多倍。它的角速度峰值可以達每秒 3.31±1.31×104°（相當于一秒鐘能轉 55~128 圈），線速度峰值為 0.23m / s。

而尿滴的速度更快。尿滴壓縮狀態利用表面張力蓄積的能量，會轉變成其飛行時的動能，尿滴會以 0.32 m / s 的線速度彈出去、飛到遠處，大概比肛門觸針的速度快 40%—— 也就是說，實現了超級推進。科學家發現，葉蟬是目前在自然界中首個觀察到會利用超級推進的昆蟲。

一直在節省能量

為了節省排尿的能量，葉蟬可能精確計算了排尿過程的每一步。首先，相比于射流排尿，葉蟬采用的排泄方式 —— 形成尿滴 —— 消耗的能量只有射流的 1/9～1/5。而接下來，葉蟬采取超級推進彈射尿液的方式，也能很好地節省能量。而必不可少的就是葉蟬身體最末端有毛的感受器。

實驗中，研究人員嘗試去除了 Homalodisca vitripennis 的這一感受器后，重新觀察了它們彈射尿滴的過程。他們發現葉蟬無法協調肛門觸針和尿滴的頻率，即使肛門觸針運動的速度很快，但尿滴彈出的速度也會顯著下降。葉蟬無法像之前一樣利用超級推進了，會消耗更多的能量。

而目前，在進入太空后，火箭和航天器的分離用到“磁推進器”和“電推進器”也是采用了超級推進的方法。物理學家曾發現，相比于一般的發射方式，借助超級推進可以多產生 250% 的能量，可以以更節量的方式將航天器準確送入預定軌道。

不得不說，雖然攝入的能量有限，但“工程學大師”葉蟬通過節衣縮食成功存活了下來，并且十分成功 —— 我國大概有超過 1000 種葉蟬，最終人類不得不采取措施，減輕它們帶來的危害。而最讓人感嘆的，還是其精巧的彈尿技術。Bhamla 說:“這真的很神奇，因為物理學家和工程師已經在實驗室里證明了超級推進這一概念，但這種神奇的生物或許在數十萬年前就已經應用了這個概念。”

而除了葉蟬之外，很多昆蟲都有奇特的排泄現象。科學家們也給這些昆蟲起了一些貼切的稱呼，例如“噴糞者”、“抖臀者”和“吐糞者”。它們都在通過一些不同尋常的策略，排出液態或固態的糞便。

早在 2003 年前后，一些研究人員就發現弄蝶科（Skippers）中的毛毛蟲可以以大于 1.5 米 / 秒的速度，將自己的固體糞便顆粒噴得很遠，最遠可達 153 厘米遠，接近其體長的 40 多倍。在這個過程中，毛毛蟲會借助迅速上升的血壓，讓堅硬的背部像艙門一樣，將這些負載發射出去。而且越是老的毛毛蟲，越有經驗，可以將糞便噴得更遠。不得不說，有點像是行走的投“屎”機了。

此外，還有夜行蟲會通過劇烈晃動腹部來釋放糞便顆粒，有些尺蛾科的幼蟲直接會用它們的胸腿踢走糞便顆粒。而這一切怪異的舉動，都是為了躲避捕食者，順利地生存下去。

有時候，想要省一點能量極端麻煩，但浪費能量卻極其容易。

參考鏈接：

• https://www.science.org/content/article/frass-flies

• https://www.scientificamerican.com/article/sharpshooter-insects-use-superpropulsion-to-catapult-their-pee1/

• https://press.springernature.com/28-02-2023-nature-research-journals-16-00/24030988

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-36376-5

Droplet superpropulsion in an energetically constrained insect

本文來自微信公眾號：環球科學 （ID：huanqiukexue）

總結

以上是生活随笔為你收集整理的一天排尿量是体重的 300 倍，叶蝉赖以生存的“弹尿”技巧，能用于发射宇宙飞船的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。