Froghoppers เป็นสุดยอดสัตว์โลก

แมลงตัวเล็ก ๆ สามารถสร้างแรงกดดันด้านลบได้เทียบเท่ากับการดูดฟางยาว 100 เมตร

หากต้องการแตะแหล่งอาหารที่ไม่น่าจะเป็นไปได้ แมลงที่มีขนาดเล็กพอที่จะนั่งบนยางลบดินสอได้จะต้องดูดกินให้หนักกว่าสิ่งมีชีวิตที่รู้จัก

เพลี้ยกระโดดน้ำ Philaenus spumarius เจาะกินพืชด้วยปากของพวกมันเพื่อกินน้ำเลี้ยงไซเล็มเท่านั้น ซึ่งเป็นของเหลวที่ทำจากน้ำเป็นส่วนใหญ่ซึ่งไหลผ่านท่อประปาภายในพืช สารนี้ไม่เพียงสูญเสียสารอาหารเป็นส่วนใหญ่ แต่ยังอยู่ภายใต้แรงกดดันด้านลบ คล้ายกับสุญญากาศ การดูดน้ำนมต้องใช้แรงดูดเทียบเท่ากับการดื่มน้ำจากฟางยาว 100 เมตร

ความสำเร็จดังกล่าวดูเหมือนจะไม่น่าเป็นไปได้สำหรับแมลงตัวเล็ก ๆ ที่นักวิทยาศาสตร์บางคนตั้งคำถามว่า xylem sap อาจอยู่ภายใต้แรงกดดันเชิงลบเช่นนั้นจริงหรือ แต่ทั้งหลักฐานทางชีวกลศาสตร์และเมแทบอลิซึมบ่งชี้ว่ากบสามารถสร้างแรงกดดันด้านลบได้มากกว่าหนึ่งเมกะปาสกาล นักวิจัยรายงานเมื่อวันที่ 14 กรกฎาคมในรายงานการประชุมของ Royal Society B.

“มันน่าประทับใจอย่างเหลือเชื่อ [นักวิทยาศาสตร์] ใช้เทคนิคหลายอย่างเพื่อจัดการกับปัญหาที่มีมาอย่างยาวนาน” Jake Socha นักชีวกลศาสตร์ที่ Virginia Tech ใน Blacksburg ผู้ไม่เกี่ยวข้องกับงานนี้กล่าว “แมลงเหล่านี้ปรับตัวได้ดีมากสำหรับการสร้าง” แรงกดดันด้านลบที่รุนแรง

ปัญหามีมายาวนานเนื่องจากการวัดแรงกดดันด้านลบเป็นเรื่องยุ่งยาก ภายใน xylem น้ำนมจะถูกดึงเหมือนเชือก ชักเย่อระหว่างดินที่เป็นรูพรุนกับใบไม้โปร่ง การเจาะโรงงานด้วยหัววัดความดันสามารถทำลายความตึงเครียดภายในนั้นได้อย่างง่ายดาย ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงใช้วิธีทางอ้อมมากกว่า การตัดส่วนของพืชออกแล้วติดปลายใบไว้ในห้องแรงดันโดยให้ก้านยื่นออกมา นักวิจัยสามารถเพิ่มแรงดันที่กระทำภายนอกพืชจนกระทั่งมันเกินแรงดันภายในพืชและน้ำเลี้ยงไซเล็มจะไหลออกมาจากลำต้น . กลยุทธ์นี้ชี้ให้เห็นว่าแรงกดดันด้านลบของ xylem sap อาจเกินหนึ่งเมกะปาสคาล

Philip Matthews นักสรีรวิทยาเปรียบเทียบจากมหาวิทยาลัยบริติชโคลัมเบียในแวนคูเวอร์กล่าวว่ากบตัวเล็กๆ และแมลงชนิดอื่นๆ ตัวอย่างเช่น ช้างสร้างแรงดันลบเพียง 0.02 เมกะปาสคาลเมื่อพวกมันดูดน้ำปริมาณมากผ่านงวงของพวกมัน (SN: 6/3/21) ซึ่งน้อยมากเมื่อเทียบกับเพลี้ยกระโดดกบ

นักวิทยาศาสตร์บางคนคิดว่า “การสกัดสารนี้มีราคาแพงเกินไป เพราะ [xylem pressures] ไม่สามารถเป็นลบได้” เขากล่าว “มันจะต้องสกัดได้ง่ายถ้า [froghoppers] จะรอดชีวิตจากบางสิ่งที่เจือจาง”

แมทธิวส์และเพื่อนร่วมงานไม่เชื่อในบรรดาผู้คลางแคลงจึงพยายามวัดความสามารถในการดูดของนักกระโดดกบด้วยสองวิธี วิธีหนึ่งทางชีวกลศาสตร์และวิธีเมแทบอลิซึม Froghoppers สร้างแรงดูดด้วยโครงสร้างคล้ายปั๊มในหัว โดยกล้ามเนื้อจะดึงเมมเบรนเพื่อสร้างแรงดันเชิงลบ ซึ่งคล้ายกับลูกสูบ ด้วยการใช้ไมโครซีทีสแกนของแมลงสี่ตัว นักวิจัยวัดความสามารถด้านความยาวและความแข็งแรงของโครงสร้างเหล่านี้ จากนั้นจึงคำนวณศักยภาพในการดูดของแมลงโดยใช้สูตรทางกายภาพง่ายๆ ของความดันเท่ากับแรงหารด้วยพื้นที่ โดยหลักการแล้ว ทีมงานพบว่า froghoppers สามารถสร้างแรงกดดันด้านลบได้ตั้งแต่ 1.06 ถึง 1.57 เมกะปาสคาล

Matthews กล่าวว่า “เห็นได้ชัดว่าพวกมันสามารถสร้างความตึงเครียดเหล่านี้ได้ ดังนั้นพวกมันจึงต้องป้อนที่ความตึงเครียดของ xylem ในระดับนี้” Matthews กล่าว “คุณจะไม่พัฒนาความจุขนาดใหญ่เช่นนี้เว้นแต่คุณจะใช้มัน”

ทีมงานได้ตรวจสอบการประมาณที่เป็นนามธรรมมากขึ้นนี้โดยการคำนวณว่ากบกินพลังงานเท่าใดในขณะที่ดูดพืชจำพวกถั่ว ถั่วลันเตา หรือหญ้าชนิตหนึ่ง พลังงานนั้นควรเป็นสัดส่วนกับแรงกดดันที่แมลงต้องเอาชนะในพืช นักวิจัยสามารถคำนวณอัตราเมแทบอลิซึมของแมลงได้โดยการให้อาหารกบในห้องที่วัดคาร์บอนไดออกไซด์ที่ขับออกมา ทีมงานยังใช้กล้องเพื่อติดตามปริมาณของเหลวที่แมลงขับออกมา

เมื่อกบเริ่มดูดน้ำ อัตราเมแทบอลิซึมของพวกมันพุ่งขึ้น 50 ถึง 85 เปอร์เซ็นต์จากอัตราการพัก และแมลงจะขับถ่ายออกมามากกว่าตอนที่อยู่เฉยๆ ความพยายามนั้น “เหมือนกับการวิ่งมาราธอน” แมทธิวส์กล่าว “พวกมันเคลื่อนย้ายของเหลวจำนวนมหาศาล…. ถ้าแมลงมีขนาดเท่ามนุษย์ พวกมันจะต้องฉี่ของเหลว 4 ลิตรต่อนาที”

แม้ว่าไซเลมซัปส่วนใหญ่เป็นน้ำ แต่ก็มีสารอาหารเพียงพอที่จะเพิ่มความสามารถในการขยายขนาดตัวของกบได้ นักวิจัยประเมิน “พวกเขาได้รับพลังงานสุทธิเพิ่มขึ้น” ผู้ร่วมวิจัย Elisabeth Bergman นักสรีรวิทยาเปรียบเทียบจากมหาวิทยาลัยบริติชโคลัมเบียกล่าว

เบิร์กแมนและเพื่อนร่วมงานสงสัยว่าพลังดูดของกบและผู้เชี่ยวชาญด้านไซเล็มซับน้ำนมอื่นๆ อาจไม่ตรงกันในสัตว์ ไม่มีบริบทอื่นใดที่อาหารถูกปิดกั้นภายใต้แรงกดดันด้านลบสูงเช่นนี้ เบิร์กแมนกล่าว “แมลงตัวเล็ก ๆ เหล่านี้เป็นเพียงเครื่องดูดที่ยอดเยี่ยม”

แมลงดูดน้ำนมจะฉี่รดอย่างไร

นักแม่นปืนสามารถขว้างของเสียที่เป็นของเหลวด้วยความเร่งสูงถึง 20 เท่าของแรงโน้มถ่วงของโลก

แมลงดูดน้ำนมบางชนิดสามารถ “ทำให้ฝนตก” พ่นฉี่ขณะกินน้ำจากพืช ตอนนี้นักวิทยาศาสตร์ได้อธิบายวิธีที่แมลงเหล่านี้เรียกว่านักแม่นปืนสร้างสเปรย์เหล่านี้โดยใช้โครงสร้างคล้ายหนังสติ๊กขนาดเล็กที่ขับเคลื่อนของเสียด้วยอัตราเร่งที่รุนแรง

ต้นไม้ที่เต็มไปด้วยนักแม่นปืนส่งฉี่ออกมาอย่างต่อเนื่อง “แค่มองดูก็บ้าแล้ว” วิศวกร Saad Bhamla จาก Georgia Tech ในแอตแลนตากล่าว กระบวนการที่น่าสนใจนี้ ซึ่งสามารถทำให้ผู้คนที่เดินผ่านไปมารู้สึกอึดอัดได้ ทำให้ Bhamla และเพื่อนร่วมงานสนใจที่จะศึกษาว่าแมลงเหล่านี้ปล่อยของเสียออกมาได้อย่างไร

นักวิจัยได้ถ่ายวิดีโอความเร็วสูงของสัตว์ 2 สายพันธุ์ ได้แก่ นักแม่นปืนปีกแก้ว และนักแม่นปืนสีเขียวอมฟ้า ซึ่งกำลังให้อาหารและฉี่ใส่พวกมัน วิดีโอเหล่านั้นแสดงให้เห็นว่าหนามเล็ก ๆ ที่เรียกว่าสไตลัสที่ส่วนท้ายของแมลงทำหน้าที่เหมือนสปริง เมื่อหยดสะสมบนโครงสร้างนี้ “สปริง” จะคลายออก และหยดจะลอยออกไปราวกับถูกเหวี่ยงจากหนังสติ๊ก

ยิ่งไปกว่านั้น ขนเส้นเล็กๆ ที่ปลายสไตลัสยังเพิ่มพลังในการพุ่งของมัน Bhamla และเพื่อนร่วมงานแนะนำ เช่นเดียวกับสลิงที่ปลายสไตลัสบางประเภท เป็นผลให้สไตลัสปล่อยของเสียที่เป็นของเหลวด้วยความเร่งสูงสุด 20 เท่าของแรงโน้มถ่วงของโลก นักวิทยาศาสตร์รายงานในวิดีโอที่เผยแพร่ทางออนไลน์ในแกลเลอรีการเคลื่อนที่ของของไหลของ American Physical Society ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการประชุมประจำปีของ APS Division of Fluid Dynamics ที่จัดขึ้น 18–20 พฤศจิกายนในแอตแลนตา

ยังไม่ชัดเจนว่าทำไมแมลงจึงฉี่ บางทีการฝึกฝนอาจช่วยให้สัตว์เหล่านี้หลีกเลี่ยงการอาบน้ำในของเหลวที่สามารถดึงดูดผู้ล่าได้ Bhamla กล่าว

นักแม่นปืนสามารถสร้างความเสียหายร้ายแรงได้ ศัตรูพืชจะกินน้ำวันละหลายร้อยเท่าของน้ำหนักตัว และสามารถแพร่เชื้อแบคทีเรียที่ทำให้เกิดโรคในพืชได้ ยกตัวอย่างเช่น นักแม่นปืนปีกแก้วได้แพร่กระจายไปทั่วพื้นที่ทางตะวันออกเฉียงใต้ของสหรัฐอเมริกา สร้างความเสียหายให้กับพืชไร่องุ่นในแคลิฟอร์เนีย และสร้างความหายนะในตาฮิติด้วยพิษของแมงมุมที่กินแมลง

สามารถอัพเดตข่าวสารเรื่องราวต่างๆได้ที่ nobilissimapartedesopra.com