本文转自：把科学带回家（id：steamforkids）
撰文 | cloud
审校 | 阿娴
通常来说，我们人类和其他体重超过3千克的动物在排尿的时候，都会喷射出一条尿柱，而一些体重较轻、体型较小的动物（例如很多昆虫和小型哺乳动物）并不会喷出尿柱，它们的尿液都是一滴一滴的。
但是，蝉是一个例外！这些仅2克重的昆虫也会像大型哺乳动物那样——喷射出细长的尿柱。
蝉撒尿，图片来源：wilson walker
不仅如此，最新的研究还发现，蝉排尿时的水流很强大——它喷射尿液的速度可高达每秒3米，是这项新研究中评估的所有动物（包括大象、马等哺乳动物）中最快的！
蝉排尿的行为研究起来比较困难，因为它们通常带在树上高处，而且即使人们找到了它们，也很容易惊动它们，导致其飞走。图片来源：jelbuilder
在秘鲁进行野外实地考察时，美国佐治亚理工学院的研究团队偶遇一棵被当地人称作“哭泣树”的树。有人觉得头上有液体了，然后大家抬头一看，树确实在“哭”，不过洒下的液体并非树汁，而是蝉尿——树上好多蝉一直在撒尿。
研究人员如获至宝，赶紧搬来一张桌子站上去拍摄高速视频，收集研究资料回去放慢分析。实验结果发现，蝉喷射出的尿液是水柱状的。研究人员觉得这很奇怪，因为蝉会在植物上吸取大量的木质部汁液，而有这样进食模式的昆虫一般都是“biu~”出一颗小尿珠。
大多数以木质部汁液为食的昆虫尿的是小水珠。图片来源：georgia institute of technology
在此之前，该研究团队发现叶蝉就会尿出一颗小水珠，然后猛地弹射出去。这是因为，对小小的叶蝉而言，它排泄的孔口太小了，受表面张力的限制，无法一次排除较多较重的东西，投射水珠的排尿方式能够节省身体的能量。
投射小尿珠，图片来源：saad bhamla, tedmonterey
相比之下，蝉算是一种体型较大的昆虫，体型大约是叶蝉的4~8倍，体内的肠道也较宽。此外，蝉每天要喝掉其体重300倍的木质部汁液，木质部汁液营养成分非常贫乏，95%都是水，这意味着蝉必须处理大量的汁液才能提取出足够的能量和营养物质，因此也就有大量的液体废物需要排出。这些喷射还可以用于自卫。当受到威胁时，蝉会向入侵者喷射液体废物。
排尿的方向也很灵活。图片来源：georgia institute of technology
“一次排一滴尿需要很长时间，而且效率不高，”论文作者之一、佐治亚理工学院化学与生物分子工程博士生埃利奥·查利塔（elio j. challita）说道， “所以它们必须把那些液体喷射出去。”
“蝉雨”，图片来源：jelbuilder
对于包括人类在内的较大物种而言，重力和惯性对于身体排出尿液的速度至关重要，并且可以轻松抵消表面张力。不过研究发现，蝉在这方面堪称王者，创下了相对于其体型而言最强喷射流的纪录。蝴蝶和蜜蜂也能喷出尿柱，但液体喷射速度不如蝉。
蝴蝶排尿，图片来源：thomas marent, david weiller
和哺乳动物相比，蝉排尿的强度和速度是大象和人类的2~3倍。而为人们所熟知的实验室小白鼠体重大约是蝉的100倍，但排尿时却只能滴滴答答。
佐治亚理工学院化学与生化工程学院助理教授萨阿德·巴姆拉(saad bhamla)同时参与了这两次昆虫排泄研究，他表示蝉有一种特殊的肌肉，可以把液体废物从排泄小孔喷射出去。
2014年，佐治亚理工学院的研究团队还发现，体重超过3千克的哺乳动物都会在大约21秒内排空膀胱。是的，大象排尿的时间和小猫咪差不多。这个研究后来还获得了搞笑诺贝尔物理学奖。
21秒小便定律，图片来源：参考资料[10]
过去科学家更关注的是动物的进食行为，对排泄的了解目前还不是很透彻。虽然该研究团队最初研究昆虫的排泄只是出于好奇，但这方面的发现或许适用于软体机器人和制造领域，有助于开发出更先进的喷嘴（一种用来控制流体流动的装置）。
“昆虫是探索微观尺度流体处理的完美实验室，”美国弗吉尼亚理工大学的流体动力学家安妮·斯台普斯（anne staples）说道。
蝉的种类有3000多种，可分为两类：一年生蝉和周期蝉。一年生蝉每年夏天成熟，遍布全球。而生命周期更长的周期蝉属只有7个物种，其中3种有17年的生命周期，4种是13年的生命周期。佐治亚理工学院研究团队研究的蝉并非周期蝉，而是它们位于亚马逊的亲戚。
图片来源：参考资料[1]
今年春夏，数万亿只周期蝉将从美国东南部和中西部的土壤中钻出。有的在地下潜伏了13年，有的则是17年之久。到时候，在短暂的几周地面生活中，它们将放声高歌，尽情撒尿。
参考资料：
[1] challita, e. j., & bhamla, m. s. (2024). unifying fluidic excretion across life from cicadas to elephants. proc. natl. acad. sci. u.s.a., 121(13), e2317878121. doi: 10.1073/pnas.2317878121
[2] bhamla, s. (2023, february 28). the fascinating physics of insect pee. retrieved from https://www.ted.com/talks/saad_bhamla_the_fascinating_physics_of_insect_pee/transcript
[3] katsnelson, a. (2024). cicadas’ emergence may feel a little wet from the power of their pee. n.y. times. retrieved from https://www.nytimes.com/2024/03/11/science/cicadas-pee-stream.html
[4] cicadas’ unique urination unlocks new understanding of fluid dynamics | research. (2024, april 02). retrieved from https://research.gatech.edu/feature/cicada-urination
[5] daniel, a. (2024). scientists studied how cicadas pee. their insights could shed light on fluid dynamics. npr. retrieved from https://www.npr.org/2024/03/20/1239529315/cicadas-pee-urination-jets-new-research-microfluidics-3d-printing-experiments
[6] of engineering, g. t. c. (2024, march 11). the unique urination of cicadas. youtube. retrieved from https://www.youtube.com/watch?v=6kbl7hhd1-o
[7] borenstein, s. (2024). cicadas are nature's weirdos. they pee stronger than us and an std can turn them into zombies. phys.org. retrieved from https://phys.org/news/2024-04-cicadas-nature-weirdos-pee-stronger.html
[8] jelbuilder. (2023, march 24). cicada pee: the bizarre phenomenon i experienced in the bush. youtube. retrieved from https://www.youtube.com/watch?v=u1bodtnp9os
[9] press, s. b. |. a. (2024). cicadas are nature's weirdos. they pee stronger than us and an std can turn them into zombies. nbc10 philadelphia. retrieved from https://www.nbcphiladelphia.com/news/national-international/cicadas-facts-zombies-sexually-transmitted-disease/3818240
[10] yang, p. j., pham, j., choo, j., & hu, d. l. (2014). duration of urination does not change with body size. proc. natl. acad. sci. u.s.a., 111(33), 11932–11937. doi: 10.1073/pnas.1402289111
[11] super-fast insect urination powered by the physics of superpropulsion | research. (2024, april 03). retrieved from https://research.gatech.edu/super-fast-insect-urination-powered-physics-superpropulsion
[12] tamisiea, j. (2024). why cicadas power spray their pee. sci. am. retrieved from https://www.scientificamerican.com/article/why-cicadas-power-spray-their-pee
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上观号作者：上海科协