Energiesparendes Urin-Tropfen-Katapult

Ganze Flüssigkeitsstrahlen hervorzubringen, wäre bei ihren enormen Urinmengen energetisch kostspielig. Deshalb haben bestimmte Vertreter der Zwergzikaden ein besonders sparsameres „Piesel-System“ entwickelt, berichten Forscher. Die Insekten schleudern Urin-Tröpfchen durch eine Art Katapultmechanismus von ihrem Hinterteil ab. Dabei nutzen sie die Elastizität der Tropfen, um sie besonders effektiv zu beschleunigen. Das Grundprinzip könnte sogar technischen Entwicklungen als Inspiration dienen, sagen die Wissenschaftler.

Wie der Seniorautor Saad Bhamla vom Georgia Institute of Technology in Atlanta berichtet, stand am Anfang dieser ungewöhnlichen Forschungsgeschichte eine Beobachtung in seinem eigenen Garten: Er betrachtete an einer Pflanze eine Zwergzikade, die offenbar wiederholt urinierte. Sie produzierte dabei keine Urin-Strahlen, wie sie andere Tiere inklusive der meisten Insekten hervorbringen. Bei der Zwergzikade bildeten sich stattdessen winzige Tröpfchen am Hinterteil, die dann davonsausten.

So wurde das biomechanische Interesse des Wissenschaftlers und seines Teams geweckt. “Über die Flüssigkeitsdynamik der Ausscheidung ist nur wenig bekannt, obwohl sie sich auf die Morphologie, den Energiehaushalt und das Verhalten von Tieren auswirkt”, so Bhamla. “Wir wollten herausfinden, ob dieses winzige Insekt irgendein cleveres Konzept nutzt, um sich zu erleichtern.” So nahmen die Forscher das Hinterteil der nur rund zehn Millimeter langen Zwergzikaden-Art Homalodisca vitripennis genau ins Visier. Um zu erfassen, was dort vor sich geht, kamen Hochgeschwindigkeitskameras bei hohen Vergrößerungen zum Einsatz.

Raffiniert effektiv weggeschleudert

So zeigte sich, wie die kleinen Insekten über ein raffiniertes Katapultsystem urinieren. Dabei wird ein Stäbchen aus einer neutralen Position nach hinten gedreht, während sich dort langsam ein Urin-Tröpfchen bildet. Wenn es dann einen bestimmten – offenbar optimalen Durchmesser erreicht hat, dreht sich das Stäbchen noch einmal um etwa 15 Grad weiter nach hinten, wobei es gespannt wird. Dann klappt es rasant nach vorn – wie ein Schnapp-Element eines Flipperautomaten und schleudert das Tröpfchen mit hoher Beschleunigung davon.

Beim Vergleich der Geschwindigkeit des Stäbchens mit der des Tröpfchens machten die Wissenschaftler dann eine interessante Feststellung: Das Geschoss war 1,4-mal schneller unterwegs als seine Antriebseinheit. Wie die Forscher erklären, ist dies auf einen Effekt zurückzuführen, der als Superpropulsion bezeichnet wird – bisher aber nicht bei biologischen Systemen beschrieben wurde. Dieser Effekt kann auftreten, wenn ein elastisches Projektil einen zusätzlichen Energieschub erhält, weil der Zeitpunkt seines Abschusses optimal auf sein Verformungsverhalten abgestimmt ist.

Im Fall des Zwergzikaden-Systems ist das Projektil die Urin-Kugel, die durch ihre Oberflächenspannung elastische Merkmale besitzt. Aus den Beobachtungen und technischen Simulationen ging nun hervor, dass sich das Stäbchen in einer Weise bewegt, die dem elastischen Tröpfchen eine optimale Komprimierung im Verlauf der Schnappbewegung verpasst. Die dadurch aufgenommene Verformungsenergie wird dann offenbar genau zum Zeitpunkt des Abhebens freigesetzt. Das optimale Timing kann dem Tropfen somit einen starken Extraschub verschaffen, erklären die Forscher.

Warum Tröpfchen statt Strahlen?

Damit stand allerdings die Frage im Raum, warum die Zwergzikaden dieses spezielle System hervorgebracht haben und nicht wie andere Insekten Urin-Strahlen von sich geben. Wie das Team durch weitere Untersuchungen belegen konnte, bietet das Konzept diesen besonders kleinen Insekten offenbar eine Möglichkeit, Energie zu sparen. Grundsätzlich kommt der Effekt zum Tragen, weil die Zwergzikaden extrem viel pieseln müssen, sagen die Forscher. Denn diese Parasiten ernähren sich von dem sehr nährstoffarmen Xylem-Saft, den sie aus Pflanzen saugen. Sie müssen dabei täglich das 300-fache ihres eigenen Körpergewichts trinken, um durch ihre Verdauung genügend Nährstoffe aufzunehmen. Den Ausschuss müssen sie deshalb dauernd loswerden, ohne sich dabei nass zu machen.

Wie das Team berichtet, ging aus ihren Untersuchungen der Anatomie der Homalodisca-Zwergzikaden hervor: Aufgrund der hohen Kapillarkräfte bei ihrer geringen Größe wäre relativ viel Druck und damit Energie nötig, um durch einen Strahl zu urinieren. Modellierungen der unterschiedlichen Verfahren der Urinabgabe verdeutlichten dann, dass das Pieseln in Tröpfchen für die Winzlinge die energieeffizienteste Art der Ausscheidung darstellt.

Doch lässt sich mit diesem kuriosen, aber doch recht speziell wirkenden Einblick in die Insektenwelt auch etwas anfangen? Neben der biologischen Bedeutung könnte das System der Entwicklung neuer technischer Konzepte dienen, sagen die Wissenschaftler. Konkret könnten etwa speziell eingestellte Vibrationen von Lautsprechern Effekte erzeugen, die Wassertropfen von elektronischen Geräten optimal wegschleudern. Doch Bhamla hebt abschließend einen weiteren Aspekt hervor: Durch dieses Phänomen mit Schmunzel-Effekt kann man das Interesse der Menschen für den faszinierende „Erfindungsreichtum“ der Natur wecken.

Quelle: Georgia Institute of Technology, Fachartikel: Nature Communications, doi: 10.1038/s41467-023-36376-5

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