La pipì ad alta velocità delle cicale. Urinano a getto come fanno animali molto più grandi (VIDEO)

La minzione unica delle cicale apre una nuova comprensione della dinamica dei fluidi e per realizzare robot

[14 Marzo 2024]

Le cicale sono la colonna sonora dell’estate, ma a quanto pare la loro pipì è più speciale della loro musica. Infatti, lo studio “Unifying Fluidic Excretion Across Life from Cicadas to Elephants”, pubblicato su Proceedings of National Academy of Sciences (PNAS) da Elio Challita e M. Saad Bhamla della School of Chemical and Biomolecular Engineering del Georgia Institute of Technology,  ha scoperto che «Mentre la maggior parte dei piccoli insetti e mammiferi urinano in goccioline, le cicale urinano in getti». Secondo i ricercatori «La scoperta potrebbe essere utilizzata per creare robot e piccoli ugelli migliori».

Per anni, i ricercatori della Georgia Tech hanno cercato di comprendere la peculiare minzione della cicala e Bhamla  e il suo team speravano di avere un’opportunità per studiare l’escrezione fluida di una cicala. Ma se le cicale si sentono facilmente, si nascondono sugli alberi, rendendole difficili da osservare e così vedere una cicala che urina è un evento che il team di Bhamla aveva visto solo su YouTube. Poi, mentre svolgevano ricerche sul campo in Perù, gli scienziati hanno avuto fortuna: hanno visto numerose cicale su un albero, che facevano pipì.

Un’osservazione che, dicono, è stata sufficiente per confutare due principali paradigmi della pipì degli insetti. Le cicale mangiano la linfa dello xilema e la maggior parte di coloro che si nutrono di xilema fanno pipì solo in goccioline perché utilizza meno energia per espellere la linfa. Le cicale, tuttavia, sono mangiatrici così voraci che buttare via ogni goccia di pipì singolarmente sarebbe troppo faticoso e non estrarrebbe abbastanza nutrienti dalla linfa.

Challita spiega che «Il presupposto era che se un insetto passa dalla formazione di goccioline a un getto, richiederà più energia perché l’insetto dovrebbe produrre più velocità».

Ma ci si aspetta anche che gli animali più piccoli facciano pipì sotto forma di goccioline perché il loro orifizio è troppo piccolo per emettere qualcosa di più denso. Ma grazie alle loro dimensioni maggiori le cicale, che hanno un’apertura alare che può competere con quella di un piccolo colibrì, usano meno energia per espellere la pipì a getto.

Challita spiega ancora: «In precedenza, si sapeva che se un piccolo animale vuole espellere getti d’acqua, allora questo diventa un po’ impegnativo, perché l’animale spende più energia per forzare l’uscita del fluido a una velocità maggiore. Questo è dovuto alla tensione superficiale e alle forze viscose. Ma per fare pipì un animale più grande può fare affidamento sulla gravità e sulle forze inerziali».

La capacità delle cicale di lanciare getti di urina ha dato ai ricercatori una nuova comprensione di come la dinamica dei fluidi influisce su questi minuscoli insetti e persino sui grandi mammiferi e Bhamla sottolinea che «La nostra ricerca ha mappato i modelli escretori degli animali, coprendo 8 ordini di dimensioni, dalle minuscole cicale agli enormi elefanti. Questo lavoro non solo approfondisce la nostra comprensione delle funzioni biologiche, ma apre anche la strada all’unificazione dei principi sottostanti che governano i processi essenziali della vita».

Per anni, il team di ricerca ha studiato l’eiezione di fluidi nelle diverse specie e recentemente ha pubblicato  su arXiv in prestampa lo studio “Fluid ejections in nature”, rivelando che «Dai funghi microscopici alle balene colossali, le espulsioni fluidiche sono un fenomeno universale e intricato in biologia, poiché svolgono funzioni vitali come l’escrezione animale, l’irrorazione del veleno, la caccia alle prede, la dispersione delle spore e la guttazione delle piante. Questa recensione approfondisce la complessa fisica dei fluidi delle espulsioni su varie scale, esplorando sia i sistemi attivi alimentati dai muscoli che i meccanismi passivi guidati dalla gravità o dall’osmosi. Introduciamo un quadro che utilizza numeri adimensionali per delineare le transizioni dal gocciolamento al getto e chiarire le forze che le governano. Evidenziando l’area poco studiata delle espulsioni di fluidi complessi, questo lavoro non solo razionalizza la biofisica coinvolta, ma scopre anche potenziali applicazioni ingegneristiche nella robotica morbida, nella produzione additiva e nella somministrazione di farmaci. Collegando la biomeccanica, la fisica dei sistemi viventi e la dinamica dei fluidi, questa recensione offre preziose informazioni sul variegato mondo delle espulsioni di fluidi e apre la strada alla futura ricerca bioispirata in tutto lo spettro della vita».

Lo studio pubblicato su PNAS evidenzia che «Le cicale sono gli animali più piccoli in grado di creare getti ad alta velocità, quindi possono potenzialmente informare le applicazioni nella creazione di getti in minuscoli robot/ugelli. E poiché la loro popolazione raggiunge le migliaia di miliardi, l’impatto sull’ecosistema della loro espulsione di fluidi è sostanziale ma sconosciuto».

Miriam Ashley-Ross, direttrice programmi alla National Science Foundation Usa, che ha contribuito a finanziare la ricerca insieme al National Institutes of Health, conclude: «La biologia e la diversità delle forme di vita hanno il potenziale per promuovere progressi in campi che vanno dalla sanità all’industria manifatturiera e ad altri settori chiave. Questo lavoro dimostra che anche il modo in cui gli organismi si liberano dei rifiuti può fornire nuove intuizioni sulla dinamica dei fluidi che stimolano l’innovazione nella robotica morbida e nei modi per gestire i fluidi su piccola scala in tutti i tipi di produzione. Mostra anche quanto dobbiamo ancora imparare su organismi come le cicale, di cui spesso si parla nelle news».