Kleine insecten kunnen een negatieve druk produceren die vergelijkbaar is met die van mensen die aan een rietje van 100 meter lang zuigen
Froghoppers voeden zich uitsluitend met xyleemsap van planten. Om toegang te krijgen tot deze voedselarme vloeistof, genereren de insecten een extreme zuigkracht.
Om een onwaarschijnlijke voedingsbron aan te boren, moeten insecten die klein genoeg zijn om op een potloodwisser te zitten, harder zuigen dan enig ander bekend wezen.
Philaenus spumarius Froghoppers doorboren planten met hun monddelen om zich uitsluitend te voeden met xyleemsap, een vloeistof die voornamelijk uit water bestaat en door de interne leidingen van planten stroomt. De stof is niet alleen grotendeels verstoken van voedingsstoffen, maar staat ook onder negatieve druk, vergelijkbaar met een vacuüm. Voor het opzuigen van het sap is een zuigkracht nodig die vergelijkbaar is met die van iemand die water drinkt uit een rietje van 100 meter lang.
Een dergelijke prestatie leek zo onwaarschijnlijk voor de kleine insecten dat sommige wetenschappers zich afvroegen of xyleemsap echt onder zo’n negatieve druk zou kunnen staan. Maar zowel biomechanisch als metabool bewijs suggereert dat froghoppers kan een negatieve druk van meer dan één megapascal produceren, rapporteren onderzoekers 14 juli in Proceedings van de Royal Society B.
“Het is ongelooflijk indrukwekkend. [The scientists] gebruikte een reeks technieken om een al lang bestaand probleem aan te pakken”, zegt Jake Socha, een biomechanicus bij Virginia Tech in Blacksburg die niet bij het werk betrokken was. “Deze insecten zijn echt goed aangepast voor het genereren van” extreme negatieve druk.
Het probleem is al lang bestaand omdat het meten van negatieve druk lastig is. Binnen xyleem wordt sap getrokken als een touwtje, gevangen in een touwtrekken tussen sponsachtige grond en luchtige bladeren. Door de plant te doorboren met druksondes kan die interne spanning gemakkelijk worden verbroken, dus gebruiken wetenschappers meestal een meer indirecte methode. Door een deel van een plant af te snijden en het bladuiteinde in een drukkamer te steken met de stengel naar buiten, kunnen onderzoekers de druk op de buitenkant van de plant verhogen totdat deze net de interne druk van de plant overschrijdt en xyleemsap uit de stengel sijpelt . Deze strategie suggereert dat de negatieve druk van xyleemsap groter kan zijn dan één megapascal.
Dat kleine kikkers en andere insecten zich voeden met xyleemsap heeft tot scepsis over deze metingen geleid, zegt Philip Matthews, een vergelijkende fysioloog aan de University of British Columbia in Vancouver. Olifanten genereren bijvoorbeeld slechts 0,02 megapascal negatieve druk wanneer ze grote hoeveelheden water door hun slurf zuigen (SN: 6/3/21), schamele vergeleken met froghoppers.
Sommige wetenschappers denken “het is gewoon te energetisch duur om dit spul te extraheren, dat” [xylem pressures] kan niet zo negatief zijn’, zegt hij. “Het moet gemakkelijk te extraheren zijn als [froghoppers are] zal overleven op iets dat zo verdund is.”
Matthews en collega’s waren sceptisch over de sceptici en probeerden het zuigvermogen van kikkers te meten via twee benaderingen, een biomechanische en een metabolische. Froghoppers produceren zuigkracht met een pompachtige structuur in hun hoofd, waarbij spieren aan een membraan trekken om negatieve druk te genereren, vergelijkbaar met een zuiger. Met behulp van micro-CT-scans van vier insecten maten de onderzoekers de lengte en sterkte van deze structuren en berekenden vervolgens het zuigpotentieel van de insecten met behulp van de eenvoudige fysieke formule van druk is gelijk aan kracht gedeeld door gebied. In principe ontdekte het team dat froghoppers een negatieve druk van 1,06 tot 1,57 megapascal kunnen produceren.
“Het is duidelijk dat ze deze spanningen kunnen genereren, dus ze moeten zich voeden met xyleemspanningen rond dit niveau”, zegt Matthews. “Je zou niet zo’n enorme capaciteit ontwikkelen als je het niet zou gebruiken.”
Het team valideerde deze meer abstracte schatting door te berekenen hoeveel energie froghoppers verbruiken tijdens het zuigen op bonen-, erwten- of luzerneplanten. Die energie moet in verhouding staan tot de druk die de insecten in planten moeten overwinnen. Door voederkikkers in kamers te plaatsen die uitgestoten koolstofdioxide meten, konden de onderzoekers de stofwisseling van de insecten berekenen. Het team gebruikte ook camera’s om bij te houden hoeveel vloeistof de insecten uitscheidden.
Zodra kikkers begonnen te zuigen, steeg hun stofwisseling met 50 tot 85 procent ten opzichte van rust, en de insecten scheidden meer uit dan in rust, ontdekten de onderzoekers. De inspanning is “als het lopen van een marathon”, zegt Matthews. “Ze verplaatsen een enorme hoeveelheid vloeistof… Als een insect de grootte van een mens zou hebben, zouden ze 4 liter vloeistof per minuut plassen.”
Hoewel xyleemsap voornamelijk uit water bestaat, zijn er genoeg voedingsstoffen om het buitenmaatse vermogen van froghoppers te stimuleren, schatten de onderzoekers. “Ze krijgen een netto-energiewinst”, zegt co-auteur van het onderzoek Elisabeth Bergman, een vergelijkende fysioloog ook aan de Universiteit van British Columbia.
Bergman en collega’s vermoeden dat de zuigkracht van kikkers en andere xyleemsap-specialisten bij dieren ongeëvenaard kan zijn. Er zijn gewoon geen andere contexten waar voedsel onder zo’n hoge negatieve druk wordt opgesloten, zegt Bergman. “Deze kleine beestjes zijn gewoon geweldige zuigmachines.”
