本記事では、科学者サード・バムラのTEDトーク「The Fascinating Physics of Insect Pee」を取り上げ、昆虫の尿にまつわる魅力的な物理学について探求します。昆虫の尿という特異なテーマにも関わらず、これには私たちが知らない驚くべき事実と、自然界の物理法則が絡み合っているのです。以下では、昆虫の尿の特性やその物理学的な興味深さについて詳しくご紹介します。
昆虫の尿の特性:
昆虫の尿には特有の特性があります。例えば、昆虫の尿は非常に小さな液滴で構成されており、しばしば超親水性を示します。これは、尿が昆虫の体表を効果的に脱水し、水分を保持するのに役立つ特性です。また、昆虫の尿には生物学的な役割があり、昆虫のコミュニケーションやマーキング行動に関与していることも知られています。
昆虫の尿と物理学:
昆虫の尿に関わる物理学的な興味は、液滴の挙動や表面張力などに関連しています。例えば、微小な液滴の表面張力は、液滴の形状や振る舞いに影響を与えます。また、液滴が物体表面に接触する際の振る舞いや、液滴の広がりや吸収にも物理学の原理が関与しています。昆虫の尿の物理学的な特性の研究は、さまざまな応用分野にも活用されています。
昆虫の尿の意義:
昆虫の尿について学ぶことは、私たちにとっていくつかの重要な意義を持ちます。まず第一に、昆虫の尿の物理学的な理解は、新たな材料や技術の開発につながる可能性があります。例えば、超親水性の特性を応用した表面コーティングや防水素材の開発などが挙げられます。さらに、昆虫の尿に関する研究は、生物多様性や生態系の理解にも貢献します。昆虫の尿の役割や行動についての理解は、昆虫の生態系内での相互作用や生態学的な関係を深めることに繋がります。
昆虫の尿に関する研究は、環境保護や持続可能性の観点からも重要です。例えば、農業において昆虫の尿の利用によって肥料の使用量を減らしたり、農作物の生産性を向上させたりする可能性があります。昆虫の尿の特性や物理学的な振る舞いを理解することで、効果的な農業技術や環境への配慮が進むことが期待されます。
結論として、昆虫の尿は我々が意識することの少ない興味深いテーマです。その特異な物理学的な特性は、昆虫の生存戦略や生態系における重要な役割を示しています。昆虫の尿の物理学的な研究は、材料科学や技術開発、生態学、環境保護などさまざまな分野に応用される可能性があります。私たちの自然界には、まだ解明されていない驚くべき事実と学びの機会が数多く存在するのです。
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昆虫のおしっこの興味深い物理学 私は虫が大好きです。 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思いつくので、 私は彼らを自然の小さなエンジニアだと考えています。 そして、それらは 驚きと好奇心に満ちているので、私はそれ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。 、そしてダイビングするときに自分の お尻に スキューバギアを持ってくる小さな水生甲虫。
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である 昆虫がおしっこをする方法を解決した、 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。
数年前、私の学生であるエリオ・チャリタと私は、 この小さな昆虫が アトランタの自宅の裏庭でプライベートな時間を過ごしているのを観察しました。 そして私たちは自分たちの目を信じられませんでした。 この昆虫は何時間もおしっこをしていました が、あまりにも速かったのでほとんど見えませんでした。 そして私たちは衝撃を受けました。このよう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はありませんでした。
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。
(笑) それで、私たちが最初に話し合わなければならなかったのは、 「ちょっと待ってください -- 昆虫がおしっこをするの?」ということでした。 そして、ほぼすべての昆虫が、何らかの形で オシッコをすることが判明しました。 これは閉鎖されたシステムです。入ったものは必ず出ていきます。
しかし、今日の物語の主人公、Homalodisca vitripennis、 またはガラスの翼を持つ狙撃兵は、 とても豪華ではありませんか? 名前の由来がわかりますが、この透明な翼があります。 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。 サップサッカーです。 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に、 別れの贈り物を残します。 これらの植物にバクテリアをまき散らす 狙撃兵も同様で、 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、ブドウ畑に数百万ドルの被害をもたらしたここカリフォルニアも含めて、農業における大きな問題です 。
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知っていれば。
さて、心配しないでください、この昆虫のおしっこはただの水です。 そこで初めて、 高速カメラで速度を落としたこの動作をお見せします。 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、 40 G 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、私たちは下に見たかったのです-- (笑) このちらつきをもっと詳しく観察したかった ので、この昆虫をそのビジネスエンドに置いて顕微鏡で観察しました。 この美しい構造には学名が付いて います。お尻がちらつく。
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。
ここで、このフリッカーと液滴 の移動速度を測定したいと考えたので、 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。 したがって、その割合を計算すると、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] 速いことがわかりました。
これが直観に反する理由です。 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想像してください。 投げている最中のある時点で、 彼らの手と指は時速 160 マイルで動いています。 たとえば、アマチュアの野球選手が時速 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して、 空中で時速 160 マイルだったら、 私たちは驚くでしょう。その超速さ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。 これを数回プレイして、 理解できるか見てみましょう。
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、硬い野球ボールとは異なり、 表面張力のせいで、これらの小さな水滴がふにゃふにゃしていることに気づき、 「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、私たちは当然のことながら、誰もが行うであろうことを行いました。 キッチンのテーブルを実験室に改造してこれをテストしました。
そこで今度は、スピーカーの上に液滴を置き、 高速で押しつぶしてみます。 これが私たちが発見したものです。 私たちは、蛇口から液体のように流れる水が、 表面張力により、このような小さなスケールで、 適切なタイミングでキックを与え、エネルギーを蓄え、 適切なタイミング で放出できることに気づきました。 トランポリンに乗っている子供のように 、非常に高速です。 そして、このタイミングのアイデアをテストするために、カタパルトも作りました。 「カタピー」と言うべきでしょうか？
そして、それはこの考えを強化しました。遅すぎると水滴は飛び散りませんが、 適切な速度で移動すれば、これを飛ばしたことになります。
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、ナンバーワン になるのかをお話しました。 (笑) 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、彼らがゼロカロリー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、 植物の残りの部分に行きます。 栄養素は非常に乏しく、 水といくつかのミネラルだけです。 これは、糖分が豊富に含まれ、葉での光合成によって 植物の残りの部分を通過する 師管液とは異なります。 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。 エネルギー源が非常に少ないため、 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するのが、あなたや私のように、生物休憩を取る場合のように ジェット噴射ではなく、飛沫の中でするのか 、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。 彼らは木部の体液を供給する動物でもあり、 ジェットでおしっこをします。
このビデオが大好きです。 これは、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ことを示しています。
そして、これらの昆虫が飛沫となってオシッコをする 2 つ目の理由は、その大きさです。 これらの昆虫はとても小さく、私の小指よりも小さいのです。 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。 これらの小さな虫がおしっこをするのは実際には非常に困難です。 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、木部液を通る かろうじて水だけで生きていく方法を見つけ出しました。 そして、そうするためには、たくさん飲んで、 たくさんおしっこをする必要があると考えられています。 その意味では、金曜日の夜にバーで 知り合った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。 新しいバグを調査するとき、私が生徒たちにいつも「それはバグではない、機能だ」と 言うのはそのためです。
では、なぜ昆虫のオシッコ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な用途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 より効率的な水噴射システム 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 この 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。
