今年春季晚些时候，数万亿只周期蝉将出现在美国中西部和南部，它们将发出大量的嗡嗡声——每只蝉都可以发出像链锯一样响亮的声音。这些红眼睛的昆虫也会产生大量的尿液。
蝉会消耗大量的水状植物液，这意味着大自然在不断召唤。但与大多数昆虫一次甩掉一滴废物不同，蝉会像哺乳动物的排泄习惯一样，以高速射流喷射出尿液。根据上周发表在《美国国家科学院院刊》Proceedings of the National Academy of Sciences USA杂志上的一篇新论文，蝉能够远远超出其体重级别地排尿，并产生比许多哺乳动物更强劲的射流。
哈佛大学的博士后研究员、研究无脊椎动物流体动力学的首席研究作者埃利奥·查利塔说：“在生物学中，总是有例外，而这里的例外是蝉。”“蝉不是以液滴的形式排尿，而是一些能够产生这些强劲射流的最小昆虫。”
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蝉的嗡嗡声似乎无法逃避，但观察到这些树栖昆虫排泄需要运气。查利塔和他的合著者、佐治亚理工学院的生物分子工程师萨德·巴姆拉最初不得不依赖 YouTube 视频。但在秘鲁亚马逊地区进行实地考察时，他们遇到了几只从杏树上排尿的蝉。他们还观察到一群蝉在新加坡的树上排尿。研究人员拍摄了高速视频，然后以慢动作进行分析。视频显示，这些昆虫从背面喷射出液流，每次长达半秒。
蝉对流经植物木质部系统的液体有着贪婪的渴望。但大多数吸食木质部液体的物种都会以单独的液滴排出废物。例如，尖翅飞虱昆虫利用超推进以极高的速度甩掉这些液滴，而不会浪费能量。
但蝉不是普通的吮吸汁液的昆虫。它们比尖翅飞虱大好几倍，这意味着它们必须消耗更大体积的木质部液体，这种液体约 95% 是水。为了凑足足够的营养，每只蝉每天必须消耗高达其体重 300 倍的木质部液体——“这意味着它们必须排泄很多尿液，”查利塔说。
对于蝉来说，研究人员认为，形成液流比以液滴甩掉大量废物更节能。幸运的是，蝉相对较大的体型使它们能够排出射流，而不会被液体的表面张力所压倒，表面张力阻止了像尖翅飞虱这样的小昆虫开始形成射流。射流也可以成为自卫武器：当受到威胁时，蝉会用液态废物射击入侵者。
加州大学戴维斯分校的昆虫学家理查德·卡班说，蝉甚至可能在完全长大之前就以射流的形式排泄，他没有参与这项新研究。年幼的蝉若虫一生中的大部分时间都在地下度过，并且已知会利用它们的水状废物来润湿并塑造周围的土壤。他说，它们使用“这些湿土块”来建造它们的地下室。“它们能够引导排出的尿液是很有道理的。”
蝉可能是吸食汁液的昆虫中的重量级选手，但与哺乳动物相比，它们只是小不点。为了确定蝉在与体型更大的动物的排尿比赛中表现如何，研究人员汇编了从蝉（重量不到一便士）到大象的生物的流体动力学数据。
当研究小组比较这些不同物种的泌尿动力学时，他们密切关注液体的韦伯数。这个数字描述了液体从管子中流出时的形状，并考虑了管子的直径以及液体的速度、密度和表面张力。速度越高，直径越大，或者表面张力越低，液体的韦伯数就越高。通常，任何低于 1 的韦伯数都与滴落有关，而任何高于 1 的韦伯数都与喷射有关。研究人员将这些韦伯数与流体动力学中的另一个指标邦德数进行了比较，邦德数代表了管子的大小和重力对液体的作用力。较小的邦德数通常意味着流量受限。一些非常大的动物具有较高的韦伯数和较高的邦德数，例如大象，它们以爆炸性的片状形式排尿。
研究人员发现，蝉是韦伯数大于 1 的唯一昆虫之一，也是已知产生高速液流的最小生物之一（其他昆虫，如蜜蜂和蝴蝶，也能够以射流的形式排尿）。这意味着它们能够产生比韦伯数低于 1 的几种哺乳动物更强劲的射流。这包括维斯塔大鼠，一种体重比蝉重 100 倍的白色实验鼠，但只能滴滴答答地排尿。
生物世界中流体喷射的物理学超越了排尿。在最近的一篇评论预印本中，研究人员探讨了自然界中生物体如何喷射流体，从喷毒眼镜蛇和喷水鲸鱼到喷孢真菌。另一个研究小组在 2014 年提出了一个模型，他们称之为哺乳动物的“排尿定律”。它假设体重超过三公斤的哺乳动物每次排空膀胱时都会以射流的形式排尿，持续时间几乎恒定为 21 秒，而体重小于三公斤的动物，如啮齿动物和蝙蝠，则会产生液滴或微弱的尿液流。然而，蝉和其他一些节肢动物不遵守这条排尿定律，即使它们是小动物，也能以高功率射流的形式排尿。了解各种动物如何排出液体可能最终帮助研究人员微调软体机器人等技术中的喷嘴和微型喷嘴。
虽然人们对蝉的微型尿液射流如何影响环境知之甚少，但卡班认为可以肯定地说，当这些昆虫今年春季晚些时候在美国南部和中西部地区吸食木质部时，它们将产生巨大的生态影响。他说：“蝉是这些森林中真正重要的角色，是主要的食草动物群体。”“我们每 13 年或 17 年才意识到它们一次，但它们并没有消失。”
所有这些木质部都必须排到某个地方，所以最好准备一把雨伞。