I love bugs. I think of them as nature’s tiny engineers because they come up with the most extraordinary and incredible solutions to life’s problems. And I just love observing them because they're so full of surprises and curiosities.
من عاشق حشرات هستم. من به آنها بعنوان مهندسان کوچک طبیعت مینگرم زیرا فوقالعادهترین و باورنکردنیترین راهحلها را در برابر مشکلات حیات عرضه میکنند. و من از تماشای آنها لذت میبرم زیرا پر هستند از شگفتی و کنجکاوی.
During my career, I studied spiders that use their webs as a slingshot to capture prey deep in the Amazon rainforest, worms that tangle up with each other and form knots to form these shape-shifting blobs to survive in harsh environments such as sewers and caves, and tiny aquatic beetles that bring their own scuba gear when they dive, on their butts.
طی فعالیت حرفهای، عنکبوتهایی را مطالعه کردهام که از تارهایشان بعنوان قلاب سنگ استفاده میکنند تا شکار را در اعماق جنگل آمازون بگیرند، کرمهایی که در یکدیگر میپیچند و گرههایی را میسازند به شکل این گلولههای متغیر تا در شرایط محیطی سخت مثل فاضلابها و غارها زنده بمانند، و این سوسکهای آبی کوچک که وقتی از عقب در آب شیرجه میزنند لباس غواصی خودشان را میآورند.
But today, I'm going to tell you a story about one of nature's most extraordinary engineers that pushes the limits of fluid mechanics and bioengineering and, arguably, solves their number one problem -- how insects pee.
اما امروز میخواهم داستانی به شما بگویم در مورد یکی از فوقالعادهترین مهندسان طبیعت که مرزهای مکانیک سیالات و بیومهندسی را جابهجا میکند و مسئله شماره یک آنها را حل میکند -- حشرات چگونه ادرار میکنند.
A few years ago, my student, Elio Challita, and I observed this tiny insect having a private moment in our own backyards in Atlanta, and we couldn't believe our eyes. This insect was peeing for hours, and it was so quick we could barely see it. And we were blown away -- we had never seen anything like this. We had never seen an insect pee.
چند سال قبل من و دانشجویم الیو چالیتا این حشره کوچک را مشاهده کردیم که در حیات پشتی ما در آتلانتا با خودش خلوت کرده بود، چیزی که دیدیم قابل باور نبود. این حشره ساعتها در حال ادرار بود، و اینقدر سربع بود که به سختی دیده میشد. هیجانزده شده بودیم -- هرگز چنین چیزی ندیده بودیم. هرگز ادرار کردن یک حشره را
So today, I'm going to tell you how insects pee, why they pee so much and in this way, and finally, why you should care about insect pee.
ندیده بودیم. پس امروز میخواهم بگویم حشرات چگونه ادرار میکنند، حشرات چرا اینقدر و به این طریق ادرار میکنند، و در نهایت چرا باید ادرار حشرات برایمان مهم باشد.
(Laughter)
(خنده)
So sit back and relax -- you're in for a treat.
پس تکیه بزنید و راحت باشید -- از این لحظات لذت ببرید.
(Laughter and applause)
(خنده و تشویق)
(Laughs) So one of the first things we had to discuss is "Wait a second -- insects pee?" And it turns out that almost all insects pee, in one form or another. It's a closed system -- what goes in must come out.
(خنده) خوب یکی از اولین چیزهایی که باید بحث کنیم «یک لحظه صبر کنید -- ادرار حشره؟» و مشخص شد که همه حشرات به یک شکل یا شکل خاص ادرار میکنند. یک سیستم بسته است -- هر چیزی که وارد میشود باید خارج شود.
But the protagonist of today's story, Homalodisca vitripennis, or a glassy-winged sharpshooter -- isn't it gorgeous? You can see where it gets its name from, it's got these transparent wings. This insect specializes in feeding on xylem fluid from plants. It’s a sapsucker. But I think of it as a plant's mosquito. And just after a mosquito sucks your blood, it leaves behind a parting gift -- so do these sharpshooters that spread bacteria into these plants, and it causes devastating and deadly diseases in plants, killing them. This is a huge problem in agriculture, including here in California, where it caused millions of dollars in damage to vineyards.
اما نقش اول داستان امروز، هومالودیسکا ویتریپنیس، یا تیرزن بال شیشهای- شگفتانگیز نیست؟ میتوانید ببینید چرا چنین اسمی دارد، این بالهای شفاف را دارد. این حشره در تغذیه از مایع بافت چوبی گیاهان تخصص دارد. یک شیرهخوار است. اما من آن را پشه گیاه تصور میکنم. و درست پس از اینکه یک پشه خون شما را میمکد، یک یادگاری به جا میگذارد -- این تیرزنهاهم اینگونهاند و باکتریها را درون این گیاهان پخش میکنند، و موجب بیماریهای مخرب و کشندهای در گیاهان میشوند، که آنها را میکشد. این مشکل عظیمی در کشاورزی است من جمله همین جا در کالیفرنیا، که باعث خسارت میلیونها دلاری به تاکستانها میشود.
And you can appreciate what they lack in size, they make up in numbers. This is what millions of insects feeding and peeing looks like. If only this woman knew where that water was coming from.
و میتوانیم ببینیم تعدادشان کم نیست، در گروههای زیادی هستند. این چیزی است که از خوردن و ادرار کردن حشرات به جا میماند. چه میشد اگر این زن میدانست این آب از کجا آمده است.
(Laughter)
(خنده)
Now, don't worry, this insect's pee is just water. And so for the first time, I'm going to show you this behavior, slowed down with our high-speed cameras, and this is what we discovered. We realized that this insect forms a droplet of pee, and then it flings them at extreme accelerations, of 40 g-forces. That's 40 times faster than the sprint of a cheetah. These insects are really packing a punch from their butts.
خوب نگران نباشید، ادرار این حشره فقط آب است. و الان برای اولین بار میخواهم این رفتار را به شما نشان دهم، که با دوربین سرعتبالای ما کند شده است، و این چیزی است که ما کشف کردیم. ما فهمیدیم که این حشره قطرهای از ادرار شکل میدهد، سپس با شتاب بسیار بالای ۴۰ جی (چهل برابر شتاب گرانشی) آنها را پرتاب میکند. این ۴۰ برابر سریعتر از سرعت چیتاست. این حشرات واقعاً مشتی از مقعدشان را گره میکنند.
And we wanted to under-- (Laughs) We wanted to take a closer look at this flicker, so we put this insect and took a look under a microscope at its business end, and this beautiful structure has a scientific name: it's called a butt flicker.
و خواستیم پایینتر برویم -- (خنده) خواستیم نگاه نزدیکتری به این پرتاب سریع اندازیم، پس این حشره را گذاشتیم و زیر میکروسکوپ به ساختار انتهایی آن نگاه کردیم، و این ساختار زیبا یک نام علمی دارد: به آن پرتابگر مقعدی میگویند.
(Laughter)
(خنده)
And this is what we discovered. We realized that this insect had evolved springs and latches, just like a catapult, so that it could efficiently hurl its droplets of pee, repeatedly, at these high accelerations.
و این چیزی است که ما کشف کردیم. ما فهمیدیم که این حشره برای خود چفت و فنر تکامل داده است، دقیقاً مثل منجنیق، پس میتواند بصورت کارآمد قطرات ادرار را پرتاب کند، به شکل مکرر و این شتابهای بالا.
Now, we wanted to measure the speed at which this flicker was moving, and the droplets, so we measured the speed of both the droplets and the flicker. And this is where we made a puzzling observation. The speed of the droplets in the air was faster than the flicker. So if you take a ratio of that, we were expecting it to be 100 percent, but turns out that the speed of the droplets are about 150 to 200 [percent] faster than the flicker itself.
حالا ما میخواستیم سرعت حرکت پرتابگر و قطرات را اندازه بگیریم، پس ما هم سرعت پرتابگر و هم قطرات را اندازه گرفتیم. و اینجاست که مشاهدهای تعجببرانگیز صورت گرفت. سرعت قطرات در هوا از پرتابگر بیشتر بود. اگر بخواهیم نسبت بگیریم، ما انتظار ۱۰۰ درصد داشتیم، اما مشخص شد که سرعت قطرات از سرعت خود پرتابگر ۱۵۰ تا ۲۰۰ درصد بیشتر است.
This is why this is counterintuitive: imagine a Yankees baseball player throwing a ball at 100 miles an hour. At some point during that throw, their hands and fingers are moving at 100 miles an hour. Say an amateur ballplayer throws a ball at 50 miles an hour, and if you measure the speed of the ball and it's 100 miles an hour in midair, we’d be surprised -- where would that extra speed come from, right? This is exactly what these insects are doing.
علت اینکه خلاف حس ما است این است: تصور کنید یک بازیکن فوتبال آمریکایی توپ را با سرعت ۱۶۰ کیلومتر بر ساعت پرتاب میکند. در لحظهای هنگام پرتاب، دستان و انگشتان با سرعت ۱۶۰ کیلومتر بر ساعت حرکت میکند. انگار بازیکن آماتور بیسبال توپی را با سرعت ۸۰ پرتاب کند، و اگر شما سرعت توپ را اندازه بگیرید در وسط هوا سرعت توپ ۱۶۰ است، ما متعجب بودیم که این سرعت اضافه از کجا میآید. درست؟ این دقیقا کاری است که این حشرات میکنند.
So to solve this puzzle, we went back and looked at our videos. And we’ll play this a couple of times -- see if you can figure this out.
پس برای حل این معما رفتیم و ویدئوها را بازبینی کردیم و ما این را دوبار پخش میکنیم -- ببینید میتوانید سر در بیاورید.
Did you catch it? Let me grab a frame.
نکته را گرفتید؟ بگذارید یک فریم انتخاب کنم.
We realized that unlike a baseball that’s rigid ... due to surface tension, these tiny droplets are squishy, and we had an “aha” moment. We were wondering if this insect is storing energy due to the surface tension just before launch. And to test this, we did, naturally, what any of us would do -- we converted our kitchen tables into a lab to test this.
ما فهمیدیم که برخلاف یک توپ که صلب است ... بخاطر کشش سطحی این قطرات کوچک سیال هستند، و ما به لحظه «آها» رسیدیم. ما تعجب کردیم که این حشره دارد انرژی را دقیقاً قبل از پرتاب در قالب کشش سطحی ذخیره میکند. و برای امتحان، بصورت طبیعی کاری که هر یک از ما شاید بکند را انجام دادیم ما میزهای آشپزخانه را به آزمایشگاهی برای امتحان این موضوع تبدیل کردیم.
So now, we're going to place droplets on a speaker, to squish them at high speeds, and this is what we discovered. We realized that water that flows in our faucets like a liquid, at these tiny scales, due to surface tension, with the right timing, can get a kick, store energy, and if you time it just right, you can launch these off at extremely high speeds, just like a child on a trampoline. And to test this idea of timing, we even built a catapult. Our should I say a "cata-pee"?
خوب حالا میخواهیم قطرات را روی یک اسپیکر قرار دهیم، تا آنها را با سرعت بالا بپاشیم، و این چیزی است که دریافتیم. ما فهمیدیم که آبی که در ناودانیها مثل یک مایع جریان دارد، در این مقیاسهای کوچک، بخاطر کشش سطحی، با زمانبندی درست، میتواند پرتاب شود، انرژی ذخیره کند، و اگر درست زمانبندی کنید، میتوانید آنها را با سرعت بسیار بالا پرتاب کنید، مثل یک کودک روی یک ترامپولین. و برای آزمایش این ایده زمانبندی ما حتی یک منجنیق ساختیم. میبایست اسمش را بگذاریم «ادرار پرتکن»؟
(Laughter)
(خنده)
And it reinforced this idea: too slow, the droplets don’t go off, and then if you move at the right speed, you've flung this.
و این ایده را تقویت کرد: اگر خیلی آهسته باشد، قطرات پرتاب نمیشوند، و اگر با سرعت مناسب حرکت دهید، آن را پرتاب میکنید.
So I've told you today how these insects use this catapulting structure to store energy and surface tension and throw these droplets at record-breaking speeds to be, really, number one ... at number one. (Laughs) But why have these insects evolved this remarkable ability? And there are two reasons for this.
خوب به شما امروز گفتهام چگونه این حشرات از ساختار منجنیقی استفاده میکنند تا انرژی و کشش سطحی را ذخیره کنند و این قطرات را با سرعتهای رکوردزن پرتاب میکنند تا در جایگاه اول قرار گیرند ... جایگاه اول. (خنده) اما چرا این حشرات در جهت چنین توانمندی چشمگیری تکامل یافتهاند؟ و دو دلیل برای این وجود دارد.
Number one is they are on a zero-calorie diet. These tiny bugs are feeding from the xylem fluid that comes up through the roots, through the soil, and goes to the rest of the plant. It's very, very poor in nutrients -- it's just water and some minerals. This is unlike the phloem fluid, which is rich in sugar, coming through photosynthesis at the leaves and going through the rest of the plant. This is akin to a human purely sustaining themselves on a diet of diet lemonade. Very low energy source -- you'd have to constantly drink, but you'd have to constantly pee as well.
اول اینکه آنها دارای رژیم با کالری صفر هستند. این حشرات ریز از مایع بافت چوبی تغذیه میکنند که از طریق ریشه و خاک بالا میآید، و به دیگر اجزای گیاه میرود. این مایع مواد مغذی بسیار کمی دارد -- فقط آب و برخی مواد معدنی است. بر خلاف شیره گیاهی که غنی از شکر است، و از طریق فتوسنتز در برگها تامین شده و به مابقی اجزای گیاه میرود. مثل این است که یک انسان فقط با خوردن لیموناد خود را زنده نگه دارد. منبعی با حداقل انرژی -- باید مداوم بنوشید اما باید مداوم ادرار هم بکنید.
This still doesn't explain why these insects pee in droplets, and not in jets, like you and I would, if you were to take a bio break. Let's take a look at cicadas. These are the cousins of these sharpshooters. They're also xylem fluid feeders ... and they pee in jets.
اما هنوز توضیح نمیدهد که چرا این حشرات به شکل قطرات ادرار میکنند نه به شکل جت مثل من و شما، اگر قرار باشد یک وقت استراحت استفاده کنید. بگذارید نگاهی به جیرجیرکها اندازیم. اینها پسرعموهای این تیرزنها هستند. آنها هم از مایع بافت چوبی تغذیه میکنند ... و بصورت جت ادرار میکنند.
(Laughter)
(خنده)
I love this video. This shows cicadas doing two of their favorite things when they come out of hibernation -- singing at the top of their lungs and peeing in the wind.
من عاشق این ویدئو هستم. نشان میدهد جیرجیرکها دارند دو کار مورد علاقه انجام میدهند وقتی از خواب بیدار میشوند در بالای ریههای خود آواز خوانده و در باد ادرار میکنند.
(Laughter)
(خنده)
And the second reason why these insects pee in droplets is size -- these things are tiny, they're smaller than my pinky. In fact, the surface tension that enables them to store energy in these droplets to launch is actually an impediment, because gravity doesn't matter, and surface tension sticks these droplets to their bodies. So they actually have to flick these droplets away -- it's actually very difficult for these tiny bugs to pee. And that's why I just love studying bugs.
و دلیل دومی که این حشرات بصورت قطره ادرار میکنند اندازه است -- اینها ریز هستند، از نوک انگشت کوچک من کوچکترند. کشش سطحی که آنها را قادر میسازد درون این قطرات برای پرتاب انرژی ذخیره کنند در واقع یک مانع است، زیرا نیروی جاذبه نقشی ندارد، و کشش سطحی این قطرات را به بدنشان میچسباند. بنابراین باید این قطرات را با پرتاب دور کنند -- در واقع ادرار کردن برای این حشرات بسیار سخت است. و به همین خاطر من عاشق مطالعه حشرات هستم.
This tiny engineer has figured out how to survive on barely just water through the xylem fluid. And it’s figured out to do so, it has to drink a lot, and pee a lot. In that sense, it's not so different from other engineers I know on a Friday night at a bar.
این مهندس کوچک فهمیده است که چگونه تقریبا فقط با آب خالی از طریق مایع بافت چوبی زنده بماند. و دریافته است که برای این کار باید زیاد بنوشد، و زیاد ادرار کند. با این اوصاف این حشره زیاد با دیگر مهندسین تفاوت ندارد که جمعه شب در بار سر میکنند.
(Laughter)
(خنده)
But to do so, it’s figured out it had to evolve this catapulting structure and fling these droplets at high speeds. And that’s why I always tell my students when we explore new bugs, "It's not a bug, it's a feature."
اما برای این کار، برای همین دریافته است که باید این ساختار منجنیقی را تکامل دهد و این قطرات را با سرعت بالا پرتاب کند. و به همین خاطر همیشه به دانشجویانم میگویم وقتی حشرات جدید را کنکاش میکنید، «این یک حشره نیست، یک فیلم است.»
(Laughter)
(خنده)
(Applause)
(تشویق)
OK, so why should you care about insect pee, and what’s the practical application of this work? Maybe, maybe one day, these ideas, these principles could help us design more efficient water-ejector systems for our smartphones, our watches and hearing aids.
خوب، چرا باید ادرار حشرات برایتان مهم باشد، و کاربرد عملی این کار چیست؟ شاید، شاید روزی، این ایدهها، این اصول به ما کمک کند سیستمهای پرتاب آب کارآمدتری طراحی کنیم برای گوشیهای هوشمند، ساعتهای مچی و سمعکها
But I have to be honest, that's not really why I've obsessed over insect pee for the last four years. I do this because when I share my work with kids, it ignites their curiosity. When I talk about insect pee, it makes their eyes light up. They laugh, they run around in their backyards, looking at bugs and asking questions. It reminds them and us that we can discover marvelous in the mundane, even in our own backyards. We just have to look closely.
اما باید صادق باشیم، این تنها دلیل دغدغه من در مورد ادرار حشرات در چهار سال اخیر نبوده است. من این کار را میکنم چون وقتی اینها را برای کودکان بازگو میکنم، کنجکاوی آنها را تحریک میکند. وقتی از ادرار حشرات میگویم، چشمانشان برق میزند. میخندند و در حیات پشتی میدوند، به حشرات نگاه میکنند و سوال میپرسند. این به ما و کودکان یادآور میشود که معجزه را میتوانیم در جاهای معمولی کشف کنیم، حتی در حیات پشتی منزل. فقط باید با دقت نگاه کنیم.
Thank you so much.
بسیار متشکرم.
(Cheers and applause)
(هورا و تشویق)
I've got to go pee.
باید بروم ادرار کنم.