セミの羽化はおしっこの勢いで少し濡れた感じになるかも

この春、地表温度が華氏 64 度に達すると、数兆匹のセミが米国南部と中西部の土の中から這い出てきます。 まれな、いわゆる二重羽化では、2 つの異なるセミの雛 (1 つは 13 年周期、もう 1 つは 17 年周期) が木に着いて、鳴き、食べ、交尾します。

そして、私たちはそれについて考えたくないかもしれませんが、上の枝に彼らが住んでいることを考えると、セミも尿の形で老廃物を排出します。 科学者らは、その大きさにもかかわらず、セミは驚くほど強力な流れを持っていると、月曜日に米国科学アカデミー紀要に掲載された論文で報告した。

研究者らは、表面張力や重力の影響などの特徴に基づく流体力学のフレームワークを適用して、蚊からゾウまで、さまざまなサイズの動物がどのようにおしっこをするかを計画しました。

この研究の共著者であるジョージア工科大学の生物工学者サード・バムラ氏は、すべてのデータを単一のグラフに並べて見るのは、「生命の物理学という美しい視点だ」と語った。

研究によると、セミが出す尿の噴流の速度は最大で毎秒3メートルで、これはゾウやウマなどの哺乳類を含む、今回の研究で評価されたすべての動物の中で最速だという。

科学者は動物界の生き物がどのように食べたり飲んだりするかを広く研究してきましたが、体液排泄の謎を掘り下げた人はほとんどいません。 しかし、さまざまな動物がどのように排尿するかを研究する理由はたくさんある、とバムラ博士は語った。 動物の体が排泄物問題を解決するためにどのように進化してきたかを理解することで、たとえばノズルの設計に新しいアイデアが得られるかもしれません。

この研究には生態学的影響もあります。 セミは毎日、自分の体重の300倍もの栄養の乏しい植物の樹液を木部から飲みます。 その液体はすべてどこかに行かなければなりません。 しかし、この大量のセミの尿が環境に与える影響はまったくわかっていません。

バムラ博士にとって、探究心は十分な動機です。 「私たちは好奇心主導の研究室です」と彼は言います。 そして、昆虫の尿に対する彼の好奇心を最初に引き起こしたのは、狙撃手と呼ばれる昆虫のグループでの奇妙な観察でした。

バムラ博士と博士課程の学生エリオ・チャリタは、狙撃兵が尿を一滴ずつ排泄し、その後特別な付属物を使って一滴一滴を超高速で体から飛ばす様子をビデオに撮影した。

この発見は、約6.6ポンドを超える哺乳類はジェットで排尿し、小型の哺乳類は十分な圧力を生み出すことができず、単に滴り落ちることを示した10年前の研究と一致している。

シャープシューターは小さいため、ジェットを作り出すことができません。 しかし、木部の供給者として、彼らは大量の液体を排出する必要があるため、エネルギー効率の高い滴下アプローチを進化させたと研究者らは推論した。

しかし、研究者らはペルーのアマゾンで野外調査をしていた際、大きさの規定を無視して尿を噴射するセミを目撃した。

新しい研究の共同執筆者で、現在はハーバード大学の博士研究員であるチャリタ博士は、実生活と YouTube 動画の両方で、見つけられる限り多くの昆虫の排尿習慣を研究し、いくつかの計算を行った。

表面張力のため、チューブが小さくなるにつれて、流体をチューブから押し出すことはますます困難になります。 セミは狙撃兵の約 4 ～ 8 倍大きいため、セミの配管はまったく同じ制約を受けません。 しかし、それらの力に打ち勝つためには依然としてエネルギーを使用する必要があります。

セミはそのサイズに比べて最も強いジェット気流の記録を持っていますが、蝶やマルハナバチもジェット気流を発生させることができます。 ただし、蚊、アブラムシ、ハエは滴下に耐えなければなりません。

Challita 博士と Bhamla 博士は、さまざまなサイズの 15 匹の動物の排尿機能をマッピングするために 2 つの尺度を採用しました。 これらの測定は、尿道のような管から体液がどのように排泄されるかにおける表面張力、重力、慣性の役割を追跡します。 人間を含む大型種の場合、重力と慣性は体がどれだけ早く尿を押し出すかに重要であり、表面張力に簡単に対抗できます。

「しかし、小規模では、重力はそれほど重要ではありません」とチャリタ博士は説明しました。 「そこで生物学が登場します。」 表面張力が優先するため、ジェット排尿はエネルギーの点でより高価なプロセスになりますが、セミは慣性が助けになるのに十分な大きさです。 研究者らは、彼らの体は強制的な排尿のコストに耐えることができ、進化によってエネルギーが十分に費やされたと考えていると推測した。

「セミの排尿は、流体力学において極めて独特な領域に留まり、慣性力と毛細管力の両方が重力を超えて同時に重要な役割を果たす」と、この研究には関与していないコーネル大学の生物学・環境エンジニア、ソンファン・ジョン氏は述べた。

バムラ博士は、点滴またはフラッシュ排泄の分野では将来の研究の余地がかなりあると述べた。 働いている流体力学を理解することで、研究者は、動物が別の溶液ではなくある溶液を使用する理由をより詳しく調べることができます。

「とてもクールだと思うよ」と彼は言った。 「これを理解できて、エリオも私も嬉しかったです。」