Wie der Seniorautor Saad Bhamla vom Georgia Institute of Technology in Atlanta berichtet, stand am Anfang dieser ungewöhnlichen Forschungsgeschichte eine Beobachtung in seinem eigenen Garten: Er betrachtete an einer Pflanze eine Zwergzikade, die offenbar wiederholt urinierte. Sie produzierte dabei keine Urin-Strahlen, wie sie andere Tiere inklusive der meisten Insekten hervorbringen. Bei der Zwergzikade bildeten sich stattdessen winzige Tröpfchen am Hinterteil, die dann davonsausten.
So wurde das biomechanische Interesse des Wissenschaftlers und seines Teams geweckt. “Über die Flüssigkeitsdynamik der Ausscheidung ist nur wenig bekannt, obwohl sie sich auf die Morphologie, den Energiehaushalt und das Verhalten von Tieren auswirkt”, so Bhamla. “Wir wollten herausfinden, ob dieses winzige Insekt irgendein cleveres Konzept nutzt, um sich zu erleichtern.” So nahmen die Forscher das Hinterteil der nur rund zehn Millimeter langen Zwergzikaden-Art Homalodisca vitripennis genau ins Visier. Um zu erfassen, was dort vor sich geht, kamen Hochgeschwindigkeitskameras bei hohen Vergrößerungen zum Einsatz.
Raffiniert effektiv weggeschleudert
So zeigte sich, wie die kleinen Insekten über ein raffiniertes Katapultsystem urinieren. Dabei wird ein Stäbchen aus einer neutralen Position nach hinten gedreht, während sich dort langsam ein Urin-Tröpfchen bildet. Wenn es dann einen bestimmten – offenbar optimalen Durchmesser erreicht hat, dreht sich das Stäbchen noch einmal um etwa 15 Grad weiter nach hinten, wobei es gespannt wird. Dann klappt es rasant nach vorn – wie ein Schnapp-Element eines Flipperautomaten und schleudert das Tröpfchen mit hoher Beschleunigung davon.
Beim Vergleich der Geschwindigkeit des Stäbchens mit der des Tröpfchens machten die Wissenschaftler dann eine interessante Feststellung: Das Geschoss war 1,4-mal schneller unterwegs als seine Antriebseinheit. Wie die Forscher erklären, ist dies auf einen Effekt zurückzuführen, der als Superpropulsion bezeichnet wird – bisher aber nicht bei biologischen Systemen beschrieben wurde. Dieser Effekt kann auftreten, wenn ein elastisches Projektil einen zusätzlichen Energieschub erhält, weil der Zeitpunkt seines Abschusses optimal auf sein Verformungsverhalten abgestimmt ist.
Im Fall des Zwergzikaden-Systems ist das Projektil die Urin-Kugel, die durch ihre Oberflächenspannung elastische Merkmale besitzt. Aus den Beobachtungen und technischen Simulationen ging nun hervor, dass sich das Stäbchen in einer Weise bewegt, die dem elastischen Tröpfchen eine optimale Komprimierung im Verlauf der Schnappbewegung verpasst. Die dadurch aufgenommene Verformungsenergie wird dann offenbar genau zum Zeitpunkt des Abhebens freigesetzt. Das optimale Timing kann dem Tropfen somit einen starken Extraschub verschaffen, erklären die Forscher.
