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Saad Bhamla estava em seu quintal quando notou algo que nunca tinha visto antes: um inseto urinando. Embora quase impossível de ver, o inseto formou uma gota quase perfeitamente redonda em sua cauda e a lançou tão rapidamente que pareceu desaparecer. O minúsculo inseto se aliviou repetidamente por horas.
É geralmente dado como certo que o que entra deve sair, então quando se trata de dinâmica de fluidos em animais, a pesquisa é amplamente focada na alimentação, e não na excreção. Mas Bhamla, professor assistente da Escola de Engenharia Química e Biomolecular do Instituto de Tecnologia da Geórgia, teve um palpite de que o que viu não era trivial.
“Pouco se sabe sobre a dinâmica fluida da excreção, apesar de seu impacto na morfologia, energia e comportamento dos animais”, disse Bhamla. “Queríamos ver se esse minúsculo inseto havia inventado alguma inovação inteligente de engenharia ou física para fazer xixi dessa maneira”.
Bhamla e Elio Challita, um estudante de pós-graduação em bioengenharia, investigaram como e por que atiradores de elite de asas vítreas – pequenas pragas notórias por espalhar doenças nas plantações – excretam da maneira que fazem. Usando a dinâmica de fluidos computacional e experimentos biofísicos, os pesquisadores estudaram os princípios fluídicos, energéticos e biomecânicos da excreção, revelando como um inseto menor que a ponta de um dedo mindinho realiza uma façanha da física e da bioengenharia – a superpropulsão. Sua pesquisa, publicada em Natureza Comunicaçõesé a primeira observação e explicação desse fenômeno em um sistema biológico.
Pequeno, mas poderoso: observando a excreção de insetos
Os pesquisadores usaram vídeos de alta velocidade e microscopia para observar precisamente o que estava acontecendo na cauda do inseto. Eles primeiro identificaram o papel desempenhado por uma ferramenta biofísica muito importante chamada caneta anal, ou, como Bhamla denominou, uma “cintilação de bunda”.
Challita e Bhamla observaram que, quando o atirador está pronto para urinar, o estilete anal gira de uma posição neutra para trás para abrir espaço enquanto o inseto espreme o líquido. Uma gota se forma e cresce gradualmente enquanto a caneta permanece no mesmo ângulo. Quando a gota se aproxima de seu diâmetro ideal, a caneta gira mais para trás cerca de 15 graus e, então, como os flippers em uma máquina de fliperama, lança a gota a uma velocidade incrível. A caneta pode acelerar mais de 40 Gs – 10 vezes mais do que os carros esportivos mais rápidos.
“Percebemos que esse inseto desenvolveu efetivamente uma mola e uma alavanca como uma catapulta e que poderia usar essas ferramentas para lançar gotas de xixi repetidamente em altas acelerações”, disse Challita.
Em seguida, os pesquisadores mediram a velocidade do movimento do estilete anal e os compararam com a velocidade das gotículas. Eles fizeram uma observação intrigante: a velocidade das gotas no ar era mais rápida do que a caneta anal que as sacudia. Eles esperavam que as gotas se movessem na mesma velocidade que a caneta anal, mas as gotas foram lançadas em velocidades 1,4 vezes mais rápidas que a própria caneta. A proporção de velocidade sugere a presença de superpropulsão – um princípio mostrado anteriormente apenas em sistemas sintéticos nos quais um projétil elástico recebe um impulso de energia quando seu tempo de lançamento corresponde ao tempo do projétil, como um mergulhador cronometrando seu salto de um trampolim.
Após uma observação mais aprofundada, eles descobriram que a caneta comprimia as gotículas, armazenando energia devido à tensão superficial pouco antes do lançamento. Para testar isso, os pesquisadores colocaram as gotas de água em um alto-falante, usando vibrações para comprimi-las em alta velocidade. Eles descobriram que, em escalas minúsculas, quando as gotas de água são lançadas, elas armazenam energia devido à tensão superficial inerente. E, se cronometradas da maneira certa, as gotas podem ser lançadas em velocidades extremamente altas.
Mas a questão de por que os atiradores urinam em gotículas ainda não foi respondida. A dieta de quase zero calorias de um atirador de elite consiste apenas na seiva do xilema da planta – um líquido deficiente em nutrientes contendo apenas água e um traço de minerais. Eles bebem até 300 vezes seu peso corporal em seiva de xilema por dia e, portanto, precisam beber constantemente e excretar com eficiência seus resíduos líquidos, que são 99% de água. Diferentes insetos, por outro lado, também se alimentam exclusivamente da seiva do xilema, mas podem excretar em jatos poderosos.
A equipe enviou amostras do atirador para um laboratório especializado. Varreduras de micro TC permitiram que Bhamla e Challita estudassem a morfologia do atirador e fizessem medições de dentro dos insetos. Eles usaram as informações para calcular a pressão necessária para um atirador de elite empurrar o fluido através de seu canal anal muito pequeno, determinando quanta energia era necessária para um atirador de elite urinar.
Sua pesquisa revela que a ejeção de gotículas superpropulsivas serve como uma estratégia para os atiradores de elite conservarem energia por ciclo de alimentação e excreção. Os atiradores de elite enfrentam grandes desafios dinâmicos de fluidos devido ao seu pequeno tamanho e restrições de energia, e urinar em gotículas é a maneira mais eficiente de excretar energia.
Aplicações promissoras para superpropulsão de insetos
Ao combinar biologia, física e engenharia, a pesquisa tem implicações em diversos campos. Compreender o papel da excreção no comportamento animal, tamanho e evolução pode ter aplicações para ecologia e dinâmica populacional. Por exemplo, os atiradores de elite são uma das principais pragas agrícolas na Califórnia e na Flórida, pois espalham doenças em vinhedos e plantações de frutas cítricas, causando prejuízos de milhões de dólares. A excreção de cigarrinhas pode potencialmente servir como uma ferramenta de vigilância de vetores, já que o problema provavelmente piorará com as mudanças climáticas. A análise da equipe também enfatiza a importância de estudar os processos de excrementos, pois eles podem revelar uma perspectiva multifacetada sobre o comportamento de um organismo.
Estudar como os atiradores usam a superpropulsão também pode fornecer informações sobre como projetar sistemas que superam a adesão e a viscosidade com menos energia. Um exemplo são os eletrônicos vestíveis com ejeção de água de baixa potência, como um relógio inteligente que usa vibrações do alto-falante para repelir a água do dispositivo.
“O assunto deste estudo pode parecer caprichoso e esotérico, mas é a partir de investigações como esta que obtemos informações sobre processos físicos em escalas de tamanho fora de nossa experiência humana normal”, disse Miriam Ashley-Ross, diretora de programa da Diretoria de Biológicos. Ciências da US National Science Foundation, que financiou parcialmente o trabalho. “O que os atiradores de elite estão enfrentando seria como se tentássemos jogar fora um globo de xarope de bordo do tamanho de uma bola de praia que estava preso em nossa mão. O método eficiente que esses pequenos insetos desenvolveram para resolver o problema pode levar a soluções bioinspiradas para removendo solventes em aplicações de microfabricação, como eletrônica, ou derramando água rapidamente de superfícies estruturalmente complexas.”
O simples fato de os insetos urinarem já é atraente por si só, principalmente porque as pessoas nem sempre pensam nisso. Mas, ao aplicar as lentes da física a um processo biológico em miniatura do cotidiano, o trabalho dos pesquisadores revela novas dimensões para apreciar pequenos comportamentos além do que aparenta.
“Este trabalho reforça a ideia de que a ciência movida pela curiosidade é valiosa”, disse Challita. “E o fato de termos descoberto algo tão interessante – a superpropulsão de gotículas em um sistema biológico e feitos heróicos da física que têm aplicações em outros campos – o torna ainda mais fascinante”.
Vídeo do YouTube: https://youtu.be/bO8Xy6-u5Rc
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