每个生物体的排泄方式都不同。老虎和企鹅以喷射状排泄而闻名，而袋熊则会排出方形粪便，树懒一个月才排便一次，而一些钻木蛤蜊则利用粪便烟囱建造家园。
所有动物，包括昆虫，都需要排出它们的废物。毕竟，吃进去的东西最终都要排出来。乔治亚理工学院生物力学专家Saad Bhamla在后院罕见地看到一只昆虫排尿后，他很好奇这种小生物是如何排泄的。他看到一只昆虫在尾部形成了一个近乎完美的圆形液滴，然后迅速将其射出，这种模式持续了数小时。
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为了进一步了解，Bhamla和生物工程研究生Elio Challita研究了玻璃翅刺吸蝇——一种只有一毫米大小的昆虫，以传播杏仁、葡萄酒和柑橘类作物疾病而闻名。尽管它们比小指尖还要小，但其排泄机制却能产生超推进力——这是物理学和生物工程学的一项壮举。他们的研究于2月28日发表在《自然-通讯》杂志上，描述了首次在生物系统中观察到并解释了这一现象。
“尽管排泄的流体动力学对动物的形态、能量学和行为有影响，但我们对其了解甚少，”Bhamla在一份声明中说。“我们想看看这种微小的昆虫是否想出了什么巧妙的工程或物理学创新来实现这种排尿方式。”
刺吸蝇以几乎零卡路里的植物木质部汁液为食，这种汁液营养匮乏。它只含有水和微量矿物质，它们每天饮用的木质部汁液量高达其体重的300倍。为了生存，它们需要不断饮水并有效地排出主要是水分的液体废物。
在这项研究中，研究小组使用高速视频和显微镜观察了昆虫尾部究竟发生了什么。
首先，科学家们研究了肛门刺的作用，研究小组称之为“屁股闪烁器”。当刺吸蝇准备排尿时，“屁股闪烁器”会从中立位置向后旋转，为昆虫挤压液体腾出空间。当“屁股闪烁器”保持在同一角度时，液滴会形成并逐渐增大。当液滴达到最佳直径（即圆形度）时，“屁股闪烁器”会进一步向后旋转约15度，然后以超过40 G的加速度将液滴发射出去。这比最快的跑车快10倍。
“我们意识到这种昆虫有效地进化出了像弹射器一样的弹簧和杠杆，并且可以用这些工具反复以高加速度投掷尿液滴，”Challita说。
然后，他们测量了“屁股闪烁器”的运动速度，并将其与液滴的速度进行了比较。他们原本预计液滴和“屁股闪烁器”会以相同的速度移动，但却发现液滴在空气中的速度比发射它们的“屁股闪烁器”还要快。这种速度比表明存在一种之前仅在合成系统中显示过的原理，称为超推进力。当弹射物体在发射时获得能量提升，并且发射和弹射物体的时机匹配时，就会发生这种情况，就像跳水运动员从跳板上起跳的时机一样。
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仔细观察后，他们发现“屁股闪烁器”在发射前压缩了液滴，由于水的表面张力，液滴中储存了能量。为了验证这一点，他们将水滴放在音响扬声器上，利用声音的振动以高速压缩液滴。在微小的尺度上，由于固有的表面张力，液滴会储存能量。当液滴落下时，如果时机恰到好处，它们可以以极高的速度被弹射出去。
为了弄清楚刺吸蝇为何以液滴形式排尿，Bhamla和Challita研究了它们的形态的微型CT扫描，并测量了昆虫内部的尺寸。他们计算了刺吸蝇需要多大的压力才能将液体通过非常小的肛门通道排出，并发现以液滴形式排尿是它们排出废物最节能的方式。
该团队希望，通过更好地了解排泄物如何影响动物的大小、行为和进化，可以用来防止农作物损失。刺吸蝇的排泄物可能是一种病媒监测工具，像刺吸蝇这样的害虫的侵扰可能会随着气候变化而加剧。
“这项工作强化了好奇心驱动的科学是有价值的理念，”Challita说。“而且，我们发现了一些非常有趣的东西——生物系统中的液滴超推进力以及具有其他领域应用价值的英勇物理学壮举——这让它更加迷人。”
