今年春季晚些時候，數萬億隻週期蟬將出現在美國中西部和南部，它們將發出大量的嗡嗡聲——每隻蟬都可以發出像鏈鋸一樣響亮的聲音。這些紅眼睛的昆蟲也會產生大量的尿液。
蟬會消耗大量的水狀植物液，這意味著大自然在不斷召喚。但與大多數昆蟲一次甩掉一滴廢物不同，蟬會像哺乳動物的排洩習慣一樣，以高速射流噴射出尿液。根據上週發表在《美國國家科學院院刊》Proceedings of the National Academy of Sciences USA雜誌上的一篇新論文，蟬能夠遠遠超出其體重級別地排尿，併產生比許多哺乳動物更強勁的射流。
哈佛大學的博士後研究員、研究無脊椎動物流體動力學的首席研究作者埃利奧·查利塔說：“在生物學中，總是有例外，而這裡的例外是蟬。”“蟬不是以液滴的形式排尿，而是一些能夠產生這些強勁射流的最小昆蟲。”
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蟬的嗡嗡聲似乎無法逃避，但觀察到這些樹棲昆蟲排洩需要運氣。查利塔和他的合著者、佐治亞理工學院的生物分子工程師薩德·巴姆拉最初不得不依賴 YouTube 影片。但在秘魯亞馬遜地區進行實地考察時，他們遇到了幾隻從杏樹上排尿的蟬。他們還觀察到一群蟬在新加坡的樹上排尿。研究人員拍攝了高速影片，然後以慢動作進行分析。影片顯示，這些昆蟲從背面噴射出液流，每次長達半秒。
蟬對流經植物木質部系統的液體有著貪婪的渴望。但大多數吸食木質部液體的物種都會以單獨的液滴排出廢物。例如，尖翅飛蝨昆蟲利用超推進以極高的速度甩掉這些液滴，而不會浪費能量。
但蟬不是普通的吮吸汁液的昆蟲。它們比尖翅飛蝨大好幾倍，這意味著它們必須消耗更大體積的木質部液體，這種液體約 95% 是水。為了湊足足夠的營養，每隻蟬每天必須消耗高達其體重 300 倍的木質部液體——“這意味著它們必須排洩很多尿液，”查利塔說。
對於蟬來說，研究人員認為，形成液流比以液滴甩掉大量廢物更節能。幸運的是，蟬相對較大的體型使它們能夠排出射流，而不會被液體的表面張力所壓倒，表面張力阻止了像尖翅飛蝨這樣的小昆蟲開始形成射流。射流也可以成為自衛武器：當受到威脅時，蟬會用液態廢物射擊入侵者。
加州大學戴維斯分校的昆蟲學家理查德·卡班說，蟬甚至可能在完全長大之前就以射流的形式排洩，他沒有參與這項新研究。年幼的蟬若蟲一生中的大部分時間都在地下度過，並且已知會利用它們的水狀廢物來潤溼並塑造周圍的土壤。他說，它們使用“這些溼土塊”來建造它們的地下室。“它們能夠引導排出的尿液是很有道理的。”
蟬可能是吸食汁液的昆蟲中的重量級選手，但與哺乳動物相比，它們只是小不點。為了確定蟬在與體型更大的動物的排尿比賽中表現如何，研究人員彙編了從蟬（重量不到一便士）到大象的生物的流體動力學資料。
當研究小組比較這些不同物種的泌尿動力學時，他們密切關注液體的韋伯數。這個數字描述了液體從管子中流出時的形狀，並考慮了管子的直徑以及液體的速度、密度和表面張力。速度越高，直徑越大，或者表面張力越低，液體的韋伯數就越高。通常，任何低於 1 的韋伯數都與滴落有關，而任何高於 1 的韋伯數都與噴射有關。研究人員將這些韋伯數與流體動力學中的另一個指標邦德數進行了比較，邦德數代表了管子的大小和重力對液體的作用力。較小的邦德數通常意味著流量受限。一些非常大的動物具有較高的韋伯數和較高的邦德數，例如大象，它們以爆炸性的片狀形式排尿。
研究人員發現，蟬是韋伯數大於 1 的唯一昆蟲之一，也是已知產生高速液流的最小生物之一（其他昆蟲，如蜜蜂和蝴蝶，也能夠以射流的形式排尿）。這意味著它們能夠產生比韋伯數低於 1 的幾種哺乳動物更強勁的射流。這包括維斯塔大鼠，一種體重比蟬重 100 倍的白色實驗鼠，但只能滴滴答答地排尿。
生物世界中流體噴射的物理學超越了排尿。在最近的一篇評論預印本中，研究人員探討了自然界中生物體如何噴射流體，從噴毒眼鏡蛇和噴水鯨魚到噴孢真菌。另一個研究小組在 2014 年提出了一個模型，他們稱之為哺乳動物的“排尿定律”。它假設體重超過三公斤的哺乳動物每次排空膀胱時都會以射流的形式排尿，持續時間幾乎恆定為 21 秒，而體重小於三公斤的動物，如齧齒動物和蝙蝠，則會產生液滴或微弱的尿液流。然而，蟬和其他一些節肢動物不遵守這條排尿定律，即使它們是小動物，也能以高功率射流的形式排尿。瞭解各種動物如何排出液體可能最終幫助研究人員微調軟體機器人等技術中的噴嘴和微型噴嘴。
雖然人們對蟬的微型尿液射流如何影響環境知之甚少，但卡班認為可以肯定地說，當這些昆蟲今年春季晚些時候在美國南部和中西部地區吸食木質部時，它們將產生巨大的生態影響。他說：“蟬是這些森林中真正重要的角色，是主要的食草動物群體。”“我們每 13 年或 17 年才意識到它們一次，但它們並沒有消失。”
所有這些木質部都必須排到某個地方，所以最好準備一把雨傘。