Pada musim semi ini, ketika suhu tanah mencapai 64 derajat Fahrenheit, triliunan belalang akan membuat jalan mereka ke permukaan dari bawah tanah di sepanjang Selatan dan Tengah Amerika Serikat. Dalam apa yang disebut sebagai kedatangan ganda yang langka, dua jarak belalang yang berbeda – satu dengan siklus hidup 13 tahun dan yang lainnya dengan siklus hidup 17 tahun – akan naik ke pohon-pohon untuk menyanyi, makan, dan kawin.
Dan meskipun mungkin kita lebih suka tidak memikirkannya, mengingat tempat tinggal mereka di cabang di atas, belalang juga akan menghasilkan limbah dalam bentuk urine. Meskipun ukurannya kecil, belalang memiliki aliran yang cukup kuat, seperti yang dilaporkan oleh para ilmuwan dalam sebuah artikel yang diterbitkan pada hari Senin dalam jurnal Proceedings of the National Academy of Sciences.
Para peneliti menggunakan kerangka dinamika fluida berdasarkan fitur seperti tegangan permukaan dan efek gravitasi untuk memetakan bagaimana hewan-hewan berbagai ukuran, mulai dari nyamuk hingga gajah, mungkin buang air kecil.
“Perspektif fisika kehidupan yang indah ini” untuk melihat semua data terpapar dalam satu grafik, kata Saad Bhamla, seorang bioinsinyur di Institut Teknologi Georgia, yang merupakan salah satu penulis studi tersebut.
Jet urine yang dihasilkan oleh belalang, menunjukkan hasil penelitian, memiliki kecepatan hingga 3 meter per detik – tercepat dari semua hewan yang dinilai dalam penelitian baru ini, termasuk mamalia seperti gajah dan kuda.
Ilmuwan telah banyak mempelajari bagaimana makhluk-makhluk di seluruh kerajaan hewan makan dan minum, namun sedikit yang telah mempelajari misteri ekskresi cairan. Namun, ada banyak alasan untuk mengeksplorasi bagaimana hewan-hewan yang berbeda buang air kecil, kata Dr. Bhamla. Memahami bagaimana tubuh hewan berevolusi untuk memecahkan masalah limbah mereka mungkin menawarkan gagasan-gagasan baru untuk desain nosel, misalnya.
Ada juga implikasi ekologis dalam penelitian ini. Belalang minum 300 kali berat badannya dalam xilem, sejenis cairan tanaman miskin nutrisi, setiap hari. Semua cairan itu harus pergi ke suatu tempat. Namun dampak lingkungan dari jumlah urine belalang yang signifikan ini masih benar-benar tidak diketahui.
Bagi Dr. Bhamla, semangat penjelajahan sudah cukup menjadi motivasi. “Kami adalah laboratorium yang didorong oleh keingintahuan,” katanya. Dan yang pertama kali memicu keingintahuan mereka tentang urine serangga adalah pengamatan aneh dalam sebuah kelompok serangga yang disebut sharpshooters.
Dr. Bhamla dan seorang mahasiswa doktoral, Elio Challita, merekam video sharpshooters yang mengeluarkan urinenya satu tetes demi satu, lalu menggunakan sesuatu penambahan khusus untuk menjatuhkan setiap tetes dari tubuh mereka dengan kecepatan ultra-tinggi.
Penemuan itu sesuai dengan studi dari satu dekade yang lalu, yang menunjukkan bahwa mamalia yang lebih besar dari sekitar 6,6 pon buang air kecil dalam jet, sementara yang lebih kecil tidak dapat menghasilkan cukup tekanan dan oleh karena itu hanya menetes.
Sharpshooters sangat kecil, sehingga mereka tidak bisa membuat jet. Namun sebagai penghisap xilem, mereka memiliki banyak cairan untuk dibuang, demikianlah peneliti mengemukakan, sehingga mereka berevolusi untuk mendekati pembuangan yang efisien energi.
Namun ketika melakukan penelitian lapangan di Amazon Peru, para peneliti melihat belalang melepaskan jet urine yang melanggar aturan ukuran.
Dr. Challita, yang turut menulis studi baru ini dan sekarang menjadi peneliti pascadoktoral di Harvard, mempelajari kebiasaan pembuangan kandung kemih dari sebanyak serangga yang bisa dia temukan, baik dalam kehidupan nyata maupun dari video YouTube, dan melakukan beberapa perhitungan.
Karena adanya gaya tegangan permukaan, mendorong cairan keluar dari tabung menjadi semakin sulit ketika tabung semakin kecil. Belalang memiliki ukuran sekitar empat hingga delapan kali lebih besar dari sharpshooters, sehingga saluran mereka tidak terkena batasan yang sama. Namun mereka masih harus menggunakan energi untuk mengatasi gaya-gaya itu.
Belalang memegang rekor untuk aliran jet yang paling kuat relatif terhadap ukuran mereka, meskipun kupu-kupu dan lebah juga bisa membuat jet. Namun nyamuk, kutu daun, dan lalat harus puas dengan menetes.
Dr. Challita dan Dr. Bhamla menyesuaikan dua ukuran untuk memetakan prestasi urin 15 hewan dengan ukuran yang berbeda. Ukuran ini melacak peran tegangan permukaan, gravitasi, dan inersia dalam bagaimana cairan dikeluarkan dari tabung seperti uretra. Untuk spesies yang lebih besar, termasuk manusia, gravitasi dan inersia sangat penting dalam seberapa cepat tubuh dapat mendorong keluar urine, dan dapat dengan mudah melawan gaya tegangan permukaan.
“Tetapi pada skala kecil, gravitasi tidak terlalu penting,” jelas Dr. Challita. “Di sinilah biologi masuk.” Gaya tegangan permukaan mengambil alih, yang membuat pembuangan urin jet menjadi proses yang lebih mahal dalam hal energi, meskipun belalang cukup besar untuk membiarkan inersia membantu. Tubuh mereka bisa menanggung biaya pembuangan urin yang energik, duga para peneliti, dan evolusi telah menganggap bahwa pengeluaran energi ini layak dilakukan.
“Pembuangan urin belalang berada di wilayah yang sangat unik dalam dinamika fluida, di mana baik inersia maupun gaya kapiler memainkan peran yang signifikan secara bersamaan atas gravitasi,” kata Sunghwan Jung, seorang insinyur biologi dan lingkungan di Cornell, yang tidak terlibat dalam penelitian ini.
Dr. Bhamla mengatakan masih cukup banyak ruang untuk penelitian lebih lanjut dalam hal ekskresi pembuangan atau pembilasan. Memahami dinamika fluida yang terlibat akan memungkinkan para peneliti untuk memeriksa lebih dekat mengapa suatu hewan menggunakan satu solusi daripada yang lain.
“Saya pikir ini sangat menarik,” katanya. “Membuat Elio dan saya senang bisa mengungkapkan ini.”