私は虫が大好きです。
私は彼らを自然の小さな技術者だと考えています。彼らは人生の問題に対して最も並外れた信じられない解決策を考え出すからです。彼らは驚きと好奇心に満ちているので、私は彼らを観察するのが大好きです。
キャリアの中で、私はアマゾンの熱帯雨林の奥深くで獲物を捕らえるパチンコとして巣を使うクモや、下水道や洞窟などの過酷な環境で生き残るために、互いに絡み合って結び目を形成し、形を変える塊を形成するミミズを研究しました。 、そして尻で潜るときに自分のスキューバギアを持ってくる小さな水生カブトムシ。
しかし今日は、流体力学と生物工学の限界を押し広げ、おそらく最大の問題を解決した、自然界で最も並外れたエンジニアの一人についての話をします。
昆虫がおしっこをする様子。
数年前、私の学生エリオ・チョリータと私は、アトランタの自宅の裏庭でこの小さな昆虫がプライベートな時間を過ごしているのを観察し、目を疑いました。
この昆虫は何時間もおしっこをしていましたが、それがあまりに早く、私たちにはほとんど見えず、私たちはびっくりしました。
こんなことは今まで見たことがありませんでした。
私たちは昆虫のおしっこを見たことがありませんでした。
そこで今日は、昆虫がおしっこをする仕組み、なぜこんなにたくさんおしっこをするのか、そして最後に、なぜ昆虫のおしっこを気にする必要があるのかについて説明します。
座ってリラックスしてください。
ご褒美が待っています。
それで、私たちが最初に議論しなければならなかった事の 1 つは、ちょっと待ってください、昆虫がおしっこをするのですか？そして、ほとんどすべての昆虫が何らかの形でおしっこをすることが判明しました。
それはクローズドシステムです。
入ったものは出なければなりません。
しかし、今日の物語の主人公であるホモレディスカス・ヴィクペニス、つまり光沢のある翼を持った狙撃兵は、とてもゴージャスではありませんか?その名前の由来がわかります。
透明な羽が生えていますね。
そしてこの昆虫は植物の木部液を食べることに特化しています。
樹液吸盤です。
でも、私はそれを植物の蚊だと思っています。
そして、蚊が血を吸った直後、別れの贈り物を残します。
これらの植物に細菌をまき散らす狙撃兵も同様です。
そしてそれは植物に壊滅的で致命的な病気を引き起こし、植物を殺します。
これは、ここカリフォルニアを含め、農業において大きな問題であり、ブドウ畑に数百万ドルの損害を与えています。
そして、サイズに欠けているものを数で補っていることがわかります。
これは、何百万もの昆虫が餌を食べたり、放尿したりしている様子です。
この女性がその水がどこから来るのかを知っていたら。
心配しないでください。
この虫のおしっこはただの水です。
そこで、高速カメラを使って、この動作が遅くなった様子を初めてお見せします。
そしてこれが私たちが発見したものです。
私たちは、この昆虫がおしっこの液滴を形成し、40G という極端な加速度でそれを飛ばすことに気づきました。
これはチーターの全力疾走の 40 倍の速さです。
この昆虫たちは本当にお尻からパンチを繰り出しています。
そして、このちらつきをもっと詳しく観察したいと思い、この昆虫をビジネスエンドに置いて顕微鏡で観察したところ、この美しい構造には学名が付けられました。
お尻フリッカーといいます。
そしてこれが私たちが発見したものです。
私たちは、この昆虫がカタパルトのようにバネとラッチを進化させ、高い加速度でオシッコの飛沫を効率よく繰り返し投げつけることができることに気づきました。
さて、このフリッカーと液滴の移動速度を測定したいので、液滴とフリッカーの両方の速度を測定しました。
そしてここで私たちは不可解な観察をしました。
空気中の水滴の速度はちらつきよりも速かった。
その比率を計算すると、100 パーセントであると予想していましたが、液滴の速度はフリッカー自体よりも約 150 ～ 200 パーセント速いことが判明しました。
これが直感に反する理由です。
ヤンキースの野球選手が時速160マイルでボールを投げているところを想像してみてください。
その投球中のある時点で、彼らの手と指は時速 160 マイルで動いています。
たとえば、アマチュア野球選手が時速 80 マイルでボールを投げるとします。そのボールの速度を測定すると、空中で時速 160 マイルだったら、私たちは驚くでしょう。
その余分なスピードはどこから来るのでしょうか?これはまさにこの昆虫がやっていることです。
そこで、このパズルを解決するために、ビデオを遡って調べました。
数回プレイして、これがわかるかどうか確認してみます。
あなたはそれをキャッチしましたか？フレームを取らせてください。
私たちは、硬い野球のボールとは異なり、表面張力によるこれらの小さな液滴はふにゃふにゃしていることに気づきました。
そして、私たちは「なるほど」と思った瞬間がありました。
この昆虫は発射直前に表面張力によってエネルギーを蓄えているのではないかと考えました。
そしてこれをテストするために、私たちは誰もが行うであろうことを自然に実行しました。
これをテストするために、キッチンのテーブルを実験室に改造しました。
そこで今度は、スピーカーの上に液滴を置いて高速で押しつぶすことにしました。これが私たちが発見したものです。
表面張力により、蛇口から液体のように小さなスケールで適切なタイミングで流れる水は、キックを与え、エネルギーを蓄え、適切なタイミングでこれらを非常に高速で発射できることに私たちは気づきました。まるでトランポリンに乗る子供のよう。
そして、このタイミングのアイデアをテストするために、私たちはカタパルト、またはカタパルトと言うべきかさえ作りました、そしてそれはこのアイデアを強化しました、遅すぎると水滴は飛び散りません、そして適切な速度で移動すれば、あなたは飛んでいきますこれ。
そこで今日は、これらの昆虫がどのようにしてこの飛び出す構造を利用してエネルギーと表面張力を蓄え、記録破りの速度で飛沫を飛ばして本当にナンバーワンになるのかについてお話しました。
しかし、なぜこれらの昆虫はこの驚くべき能力を進化させたのでしょうか?そしてこれには 2 つの理由があります。
一番の理由は、カロリーゼロの食事をしていることです。
これらの小さな虫は、根から土壌を通って出てくる木部液から栄養を摂取し、植物の他の部分に行きます。
非常に栄養価が低いのです。
それはただの水といくつかのミネラルです。
これは、糖分が豊富に含まれる師管液が葉での光合成によって生じ、残りの植物に送られるのとは異なります。
これは、人間が純粋にダイエットレモネードの食事で自分自身を維持しているのと似ています。
非常に低エネルギー源。
常に水を飲まなければなりませんが、常におしっこもしなければなりません。
これだけでは、なぜこれらの昆虫がおしっこを噴射するのではなく、水滴の中でするのか、あなたや私がバイオブレイクした場合のようにするのか、まだ説明できません。
セミを見てみましょう。
彼らはこれらの狙撃兵のいとこたちです。
彼らは木部の液体を摂食する動物でもあり、ジェットでおしっこをします。
このビデオが大好きです。
セミが冬眠から目覚めたときに、肺のてっぺんで歌うことと、風に乗っておしっこをするという、2つの好きなことをしている様子が描かれています。
そして、これらの昆虫が水滴でおしっこをする理由の 2 つ目の理由は、その大きさです。
こういったものは小さいものです。
私の小指より小さいです。
実際、重力は問題ではなく、表面張力によって液滴が体にくっついてしまうため、飛沫にエネルギーを蓄えて発射するための表面張力が実際には障害となります。
したがって、実際にこれらの飛沫をはじき飛ばす必要があります。
実は、この小さな虫たちがおしっこをするのはとても難しいのです。
だからこそ、私はバグを研究するのが好きなのです。
この小さなエンジニアは、この木部液を介してかろうじて水だけで生きていくことを発見しました。そのためには、たくさん飲み、たくさんおしっこをする必要があることがわかりました。
その意味では、金曜日の夜にバーで知っている他のエンジニアとそれほど変わりません。
しかし、そのためには、このカタパルト構造を進化させ、これらの液滴を高速で飛ばす必要があることが判明しました。
だからこそ、私は新しいバグを調査するときに生徒たちに、「それはバグではなく、機能だ」といつも言います。
では、なぜ昆虫のおしっこを気にする必要があるのでしょうか?また、この研究は実際にどのように応用できるのでしょうか?もしかしたら、いつか、これらのアイデアや原理が、スマートフォン、時計、補聴器用のより効率的な水排出システムの設計に役立つかもしれません。
しかし、正直に言うと、私がここ 4 年間昆虫のおしっこに夢中になっている理由はそこにはありません。
私がこれを行うのは、自分の作品を子供たちと共有すると、子供たちの好奇心が刺激されるからです。
虫のおしっこの話をすると目を輝かせます。
彼らは笑い、裏庭を走り回り、虫を観察したり、質問したりします。
それは彼らと私たちに、たとえ自分の裏庭であっても、日常の中に素晴らしいものを発見できることを思い出させます。
ただ注意深く観察する必要があります。
どうもありがとう
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