La superpropulsione della pipì delle cicaline dalle ali vitree (VIDEO)
Lo studio “Droplet superpropulsion in an energetically constrained insect”, pubblicato su Nature Communications da Elio Challita, Prateek Sehgal e M. Saad Bhamla del Georgia Institute of Technology e da Rodrigo Krugner dell’United States Department of Agriculture, nasce da un incontro fatto da Bhamla nel suo cortile quando ha visto qualcosa che non aveva mai visto prima: un insetto che faceva la pipì: «Sebbene quasi impossibile da vedere – spiega - l'insetto formò una gocciolina quasi perfettamente rotonda sulla coda e poi la lanciò via così velocemente che sembrò scomparire. Il minuscolo insetto si è liberato ripetutamente per ore».
Generalmente si dà per scontato che ciò che entra debba uscire, quindi quando si tratta di dinamica dei fluidi negli animali, la ricerca si concentra principalmente sull'alimentazione piuttosto che sull'escrezione. Ma Bhamla aveva la sensazione che qullo che aveva visto non fosse così banale: «Si sa poco della dinamica dei fluidi dell'escrezione, nonostante il suo impatto sulla morfologia, l'energia e il comportamento degli animali. "Volevamo vedere se questo minuscolo insetto avesse escogitato qualche innovazione ingegneristica o fisica intelligente per fare pipì in questo modo».
E’ così che Bhamla ed Elio Challita, un bioingegnere, hanno cominciato a studiare come e perché le cicaline dalle ali vitree (Homalodisca vitripennis), piccoli parassiti noti per diffondere malattie nelle piante (e che gli anglofoni chiamano glassy-winged sharpshooters e i francofoni mouche pisseuse) espellono urina e il modo in cui lo fanno. Utilizzando la fluidodinamica computazionale e gli esperimenti biofisici, i ricercatori hanno studiato i principi fluidici, energetici e biomeccanici dell'escrezione, rivelando come un insetto più piccolo della punta di un mignolo compia un'eccezionale impresa di fisica e bioingegneria: la superpropulsione. La loro ricerca rappresenta la prima osservazione e spiegazione di questo fenomeno in un sistema biologico.
Per osservare con precisione cosa stava accadendo sulla coda dell'insetto, i ricercatori hanno utilizzato video ad alta velocità e microscopia. Per prima cosa hanno identificato il ruolo svolto da uno strumento biofisico molto importante chiamato stilo anale o, come lo ha definito Bhamla, «Sfarfallio del sedere».
Challita e Bhamla hanno visto che «Quando la cicalina dalle ali vitree è pronta per urinare, lo stilo anale ruota da una posizione neutra all'indietro per fare spazio mentre l'insetto spreme il liquido. Una gocciolina si forma e cresce gradualmente man mano che lo stilo rimane alla stessa angolazione. Quando la gocciolina si avvicina al suo diametro ottimale, lo stilo ruota ulteriormente all'indietro di circa 15 gradi e quindi, come le “pinne” di un flipper, lancia la gocciolina a una velocità incredibile. Lo stilo può accelerare più di 40G, 10 volte superiore rispetto alle auto sportive più veloci».
Challita. Racconta che «Ci siamo resi conto che questo insetto aveva in realtà evoluto una molla e una leva come una catapulta e che poteva usare quegli strumenti per lanciare ripetutamente goccioline di pipì ad alte accelerazioni».
Quindi, i ricercatori hanno misurato la velocità del movimento dello stilo anale e li hanno confrontati con la velocità delle goccioline, scoprendo qualcosa di sconcertante: «La velocità delle goccioline nell'aria era più veloce dello stilo anale che le lanciava. Ci aspettavamo che le goccioline si muovessero alla stessa velocità dello stilo anale, ma le goccioline venivano lanciate a velocità 1,4 volte superiori rispetto allo stilo stesso. Il rapporto tra velocità suggeriva la presenza della superpropulsione, un principio precedentemente mostrato solo nei sistemi sintetici in cui un proiettile elastico riceve un aumento di energia quando la sua tempistica di lancio coincide con la tempistica del proiettile, come un tuffatore che cronometri il suo salto da un trampolino».
Dopo ulteriori osservazioni, i ricercatori hanno scoperto che «Lo stilo comprimeva le goccioline, immagazzinando energia grazie alla tensione superficiale appena prima del lancio». Per verificarlo, hanno posizionato le gocce d'acqua su un altoparlante audio, utilizzando le vibrazioni per comprimerle ad alta velocità e hanno scoperto che, «Su una scala minuscola, quando le gocce d'acqua vengono lanciate, immagazzinano energia a causa della tensione superficiale intrinseca. E, al momento giusto, le goccioline possono essere lanciate a velocità estremamente elevate».
Ma la domanda sul perché le cicaline dalle ali vitree lancino goccioline di urina con la superpropulsione rimaneva ancora senza risposta. La dieta quasi a zero calorie di una Homalodisca vitripennis consiste solo in linfa xilematica vegetale, un liquido carente di nutrienti che contiene solo acqua e una traccia di minerali. Al giorno, bevono fino a 300 volte il loro peso corporeo in linfa xilematica e devono quindi bere costantemente ed espellere in modo efficiente i loro rifiuti fluidi che sono per il 99% di acqua. Però, anche altri insetti si nutrono esclusivamente di linfa xilematica ma non la espellono con getti superveloci.
Il team ha inviato esemplari di cicaline dalle ali vitree a un laboratorio specializzato e le micro scansioni CT hanno permesso a Bhamla e Challita di studiare la morfologia d i questi minuscoli insetti e effettuare misurazioni dall'interno degli insetti stessi. Poi, hanno usato w queste informazioni per calcolare la pressione necessaria per spingere il fluido attraverso il suo piccolissimo canale anale, determinando quanta energia sia necessaria per una cocalina dalle ali vitree per urinare. Lo studio rivela che «L'espulsione di goccioline superpropulsive serve alle cicaline dalle ali vitree come strategia per risparmiare energia per ciclo di alimentazione-escrezione. Le cicaline dalle ali vitree affrontano importanti sfide fluidodinamiche a causa delle loro piccole dimensioni e dei vincoli energetici e per loro urinare nelle goccioline è il modo più efficiente dal punto di vista energetico di espellere».
A prima vista potrebbe sembrare uno studio “inutile”, ma al Georgia Institute of Technology fanno notare che «Studiare come la cicaline dalle ali vitree usano la superpropulsione può anche fornire spunti su come progettare sistemi che superino l'adesione e la viscosità con un'energia inferiore. Un esempio è l'elettronica indossabile con espulsione dell'acqua a bassa potenza, come un orologio intelligente che utilizza le vibrazioni degli altoparlanti per respingere l'acqua dal dispositivo».
Miriam Ashley-Ross, direttrice programma del Directorate for biological sciences della National Science Foundation Usa, che ha parzialmente finanziato lo studio, concorda: «L'oggetto di questo studio può sembrare stravagante ed esoterico, ma è da indagini come questa che otteniamo informazioni sui processi fisici su scale di dimensioni al di fuori della nostra normale esperienza umana. Quello con cui hanno a che fare le cicaline dalle ali vitree è come se noi cercassimo di lanciare via un globo di sciroppo d'acero delle dimensioni di un pallone da spiaggia che è attaccato alla nostra mano. Il metodo efficiente che questi minuscoli insetti hanno evoluto per risolvere il problema può portare a soluzioni bio-ispirate per rimuovere solventi in applicazioni di micro-produzione come l'elettronica o per eliminare rapidamente l'acqua da superfici strutturalmente complesse».
Il semplice fatto che gli insetti urinano è curioso di per sé, soprattutto perché le persone non ci pensano spesso. Ma applicando la lente della fisica a un processo biologico quotidiano in miniatura, il lavoro dei ricercatori rivela nuove dimensioni per apprezzare piccoli comportamenti al di là di ciò che vede il nostro occhio.
Challita conclude: «Questo lavoro rafforza l'idea che la scienza guidata dalla curiosità sia preziosa. E il fatto che abbiamo scoperto qualcosa di così interessante – la superpropulsione di goccioline in un sistema biologico e imprese eroiche della fisica che hanno applicazioni in altri campi – lo rende ancora più affascinante».
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