تیرزن؛ حشره‌کوچکی که ۳۰۰ برابر وزن خودش ادرار می‌کند و هنگام دفع آن را مانند منجنیق پرتاب می‌کند

راز بقا – محمد عبادی‌فر: بیشتر مردم هرگز نام «تیرزن» یا حشرات «شارپ‌شوتر» (Sharpshooter) را نشنیده‌اند، اما این حشرات کوچک اخیراً به دلیل یک توانایی شگفت‌انگیز به شهرت جهانی رسیده‌اند: آنها می‌توانند قطرات ادرار خود را با سرعتی بیشتر از سرعت حرکت بدنشان به بیرون پرتاب کنند.

به گزارش راز بقا، بر اساس مقاله‌ای که در سال ۲۰۲۳ در مجله نیچر منتشر شد دانشمندان کشف کردند که حشراتی به نام «تیرزن» نخستین جانوران شناخته‌شده‌ای هستند که از پدیده‌ای فیزیکی به نام «ابرپیشرانش» (Superpropulsion) استفاده می‌کنند و یک عمل ساده مانند دفع ادرار را به شاهکاری مهندسی در دنیای زیست‌شناسی تبدیل کرده‌اند.

اما عادت عجیب دفع ادرار، تنها بخشی از داستان این حشرات شگفت‌انگیز است.

حشره «تیرزن» چیست؟

«تیرزن‌ها» گروهی از زنجرک‌های بزرگ هستند که به قبیله Proconiini از خانواده Cicadellidae تعلق دارند. صد‌ها گونه از این حشرات در سراسر جهان زندگی می‌کنند و بسیاری از آنها در مناطق گرم آمریکای شمالی و آمریکای جنوبی یافت می‌شوند. یکی از شناخته‌شده‌ترین گونه‌های آنها «تیرزن بال‌شیشه‌ای» (Homalodisca vitripennis) است.

این حشرات نسبتاً کوچک هستند و معمولاً بین ۱ تا ۲ سانتی‌متر طول دارند. آنها دارای بال‌های شفاف، چشم‌های برجسته و قطعات دهانی سوزنی‌شکلی هستند که مانند نی‌های بسیار ظریف عمل می‌کنند.

برخلاف بسیاری از حشرات که از شیره‌های شیرین گیاهان تغذیه می‌کنند، تیرزن‌ها مایع آوند چوبی گیاهان یا «زایلم» را می‌نوشند. زایلم (Xylem) شبکه انتقال آب درون گیاهان است، اما یک مشکل بزرگ دارد: این مایع بسیار فقیر از نظر مواد مغذی است و حدود ۹۵ درصد آن را آب تشکیل می‌دهد.

به همین دلیل، این حشرات برای تأمین انرژی مورد نیاز خود مجبور‌ند در طول روز حجم بسیار زیادی از این مایع را مصرف کنند و طبیعتاً هرچه وارد بدن شود، باید از بدن خارج شود آن هم به مقدار بسیار زیاد.

دانشمندان تخمین می‌زنند تیرزن‌ها می‌توانند روزانه مایعی معادل ۳۰۰ برابر وزن بدن خود را پردازش و دفع کنند. برای مقایسه، اگر انسان‌ها چنین قابلیتی داشتند، یک فرد بالغ مجبور بود روزانه صد‌ها لیتر آب بنوشد.

عجیب‌ترین توانایی تیرزن؛ پرتاب ادرار با یک منجنیق زیستی

در سال ۲۰۲۳، پژوهشگران مؤسسه فناوری جورجیا (Georgia Institute of Technology) با استفاده از دوربین‌های فوق‌سریع، سازوکار خارق‌العاده‌ای را در انتهای بدن این حشرات کشف کردند.

برخلاف تصور، تیرزن‌ها ادرار خود را به صورت یک جریان پیوسته خارج نمی‌کنند، بلکه آن را به شکل قطرات جداگانه تولید می‌کنند.

این کار توسط ساختاری انعطاف‌پذیر به نام «استایلوس مقعدی» (Anal Stylus) انجام می‌شود. این ساختار کوچک مانند یک منجنیق عمل می‌کند بدین ترتیب که حشره ابتدا به‌آرامی یک قطره ادرار تشکیل می‌دهد، سپس آن را فشرده می‌کند و در نهایت با یک حرکت سریع آن را به بیرون پرتاب می‌کند.

نکته شگفت‌انگیز اینجاست که سرعت حرکت قطره می‌تواند حدود ۴۰ درصد بیشتر از سرعت خود منجنیق باشد.

دانشمندان دریافتند که این حشرات زمان‌بندی حرکت استایلوس را به‌طور دقیق با نوسانات طبیعی قطره هماهنگ می‌کنند. این فرایند «ابرپیشرانش» یا Superpropulsion نام دارد.

پیش از پرتاب، کشش سطحی آب مقداری انرژی را درون قطره ذخیره می‌کند. زمانی که همه‌چیز در لحظه مناسب هماهنگ شود، این انرژی به‌صورت ناگهانی آزاد می‌شود و باعث می‌شود قطره با سرعتی بیشتر از سرعت حرکت خود حشره شتاب بگیرد.

این پدیده شبیه یک شیرجه‌زن است که زمان پرش خود را دقیقاً با حرکت تخته فنری هماهنگ می‌کند. اگر شیرجه‌زن فقط از روی تخته بپرد، ارتفاع زیادی نمی‌گیرد. اما اگر چند بار با ریتم مناسب روی تخته بالا و پایین برود، تخته انرژی را در خود ذخیره می‌کند و در لحظه مناسب آن انرژی را آزاد می‌کند. در نتیجه، فرد بسیار بالاتر از حالت عادی پرتاب می‌شود.

پژوهشگران می‌گویند این نخستین نمونه ثبت‌شده از ابرپیشرانش در یک موجود زنده است.

مثال دیگر این پدیده نحوه ضربه زدن به توپ پینگ‌پنگ با راکت است. فرض کنید یک توپ پینگ‌پنگ را روی راکت قرار دهیم. اگر فقط راکت را رو به جلو حرکت دهیم توپ دقیقا با همان سرعت راکت حرکت می‌کند، اما اگر با راکت دقیقاً در لحظه مناسب به توپ ضربه بزنیم، انرژی ذخیره‌شده در خود توپ هم آزاد می‌شود و توپ با سرعتی بیشتر از سرعت حرکت دستت به جلو پرتاب می‌شود.

شارپ‌شوتر هم دقیقاً از همین اصل استفاده می‌کند. قطره ادرار مانند یک «فنر بسیار کوچک» رفتار می‌کند و انرژی را در خود ذخیره می‌کند. سپس در لحظه‌ای کاملاً هماهنگ، آن انرژی آزاد می‌شود و قطره با سرعت بیشتری به بیرون شلیک می‌شود.

چرا آنها ادرارشان را به صورت جریان معمولی دفع نمی‌کنند؟

پاسخ این سؤال به صرفه‌جویی در مصرف انرژی مربوط می‌شود. از آنجا که غذای تیرزن‌ها مواد مغذی بسیار کمی دارد، این حشرات از نظر انرژی در محدودیت شدیدی قرار دارند بنابراین ایجاد یک جریان پیوسته از مایع به انرژی بسیار بیشتری نیاز دارد.

اما با پرتاب قطرات جداگانه، آنها می‌توانند در مصرف انرژی صرفه‌جویی کنند و هم‌زمان محل تغذیه خود را تمیز نگه دارند.

دانشمندان همچنین حدس می‌زنند که دفع سریع فضولات می‌تواند احتمال جذب شکارچیانی را که ممکن است از طریق بو، آنها را شناسایی کنند، کاهش دهد.

حشره‌ای کوچک با تأثیری بزرگ بر کشاورزی

تیرزن‌ها تنها موجودات عجیب و جالب نیستند، بلکه برخی گونه‌های آنها آفات مهم کشاورزی نیز به شمار می‌روند.

این حشرات هنگام تغذیه، باکتری‌های بیماری‌زای خطرناکی را بین گیاهان منتقل می‌کنند. گونه بال‌شیشه‌ای به‌ویژه به دلیل انتقال باکتری‌هایی که می‌توانند به تاکستان‌ها، باغ‌های مرکبات و بسیاری از محصولات کشاورزی آسیب برسانند، شهرت دارد.

از آنجا که این حشرات به طور مداوم تغذیه می‌کنند و به‌راحتی از یک گیاه به گیاه دیگر منتقل می‌شوند، می‌توانند بیماری‌ها را با سرعت زیادی در مناطق وسیع کشاورزی گسترش دهند.

چرا مهندسان به این حشره علاقه‌مند شده‌اند؟

جالب است بدانید که اهمیت تیرزن‌ها ممکن است فراتر از زیست‌شناسی باشد.

دانشمندان معتقدند سازوکار ابرپیشرانش این حشرات می‌تواند الهام‌بخش فناوری‌های جدیدی شود؛ از جمله ساخت سطوح خودتمیزشونده، ساعت‌های هوشمند مقاوم در برابر آب، تجهیزات ضدبخار و پمپ‌های میکروسکوپی کم‌مصرف برای سامانه‌های رباتیک.

به عبارت دیگر، حشره کوچکی که تمام عمر خود را صرف نوشیدن آب گیاهان و پرتاب قطرات بسیار ریز ادرار می‌کند، ممکن است در آینده به مهندسان کمک کند تا نسل جدیدی از تجهیزات الکترونیکی و سامانه‌های هوشمند را طراحی کنند.