怎么一到夏天，树上就会有蝉一直在喷尿

盛夏时节，树荫下蝉声阵阵，但你是否注意过，有时树下会忽然飘来阵阵水珠，像是下了小雨？不少人以为是清晨露水，或是树叶排水，殊不知——这是蝉在喷尿。而它们喷的，不仅是真的尿液，更是以惊人的速度喷射而出，刷新了人类对昆虫排泄的全部想象。

那为什么体型小如蝉，却能像微型水枪一样高速喷水？

蝉究竟吃什么会有这么多尿？

要理解树上的蝉为何这么能喷水，得从它们的食谱说起。与大多数昆虫不同，蝉并不取食树叶、果实或其他有机组织，它们的吸管状口器专门刺入植物导管，吸食木质部中的液体。这种液体的主要任务是将根系吸收的水和矿物质输送到枝叶，其营养成分极其稀薄——水占比超过95%，其余只含微量的氮素与电解质，相当于我们平时喝的矿泉水加一点点营养做成的非常淡的汤。

蝉滋尿图片（图片来源：参考文献[1]）

这种清淡到近乎无营养的食物，迫使蝉采用大量摄入的策略。研究显示，一只成年蝉每天可能需要吸入自身重量数百倍的木质部液体，才能勉强维持能量代谢。更早的生命周期中，蝉幼虫甚至在地下蛰伏多年，靠吸食根系木质部液体生存。长年累月的喝水式生存，也就意味着它们体内持续有大量水分需要排出。

与此相应，蝉的生理结构也早已演化出高效的排泄系统，不仅肠道与马氏管系统高效分离水与微量营养，它们还具备一种特殊的后门结构，能调节喷射频率与强度的排尿阀。

为什么蝉能速度惊人的喷射尿液？

在动物王国中，排尿方式通常与体型成正比。大型哺乳动物如大象、牛等排尿时间稳定在20秒左右，而体型较小的动物如老鼠、猫等，因重力作用和肌肉收缩受限，排尿更常表现为一滴一滴地落下。蝉的体长不过几厘米，却能将尿液以每秒约3米的速度喷出，成为研究者眼中的微型奇迹。

从蝉到大象不同动物的液体排放策略（图片来源：参考文献[1]）

这项研究由美国佐治亚理工学院的一个实验室完成，相关结果发表在《美国科学院院刊》（PNAS）。他们利用高速摄影与显微成像技术，观察到蝉的排尿并非连续流动，也不是滴落，而是以高频脉冲喷流的形式进行。这种喷射来自一个复合系统，马氏管先集中废液，储存在小型膀胱中，当膀胱内压力达到一定阈值时，蝉通过腹部肌肉快速收缩，驱动尿液经由带有瓣膜的狭小排出口喷出。

此处插入视频

蝉的排尿视频（图片来源：参考文献[1]）

更令人着迷的是，喷射比滴落更省能。在小尺寸生物体中，液体受表面张力主导，形成液滴需要不断克服黏附与内聚力。而喷流则依靠惯性直接越过这些障碍，一次性将液体送出，这在物理学上被称为Weber数大于1的阈值现象。研究团队提出，蝉可能代表了一类尚未广泛认识的微尺度生物流体系统，是自然界中最小但最有效率的喷流机制。

更大胆的推测认为，这一能力可能源于蝉的食水型生存模式的长期演化，吃得稀，排得多，喷得快。从这个角度看，蝉的尿不仅是生理副产物，更是自然选择在极限生存条件下的一种流体优化设计。

蝉的喷流排尿不仅令人惊讶，也可能对生态系统产生影响。一方面，大量稀薄液体落在树干和地面，可能改变微生境的湿度和微生物结构。另一方面，其排泄行为也为蚂蚁、黄蜂等吸液昆虫提供了水源，形成微妙的共生关系。

总结

夏天吵着我们的蝉，不仅在夏天为大自然奏响合唱，也在树上下着一场场小于。它们通过高速喷尿排出大量多余的水分，这不仅是对营养吸收机制的自然回应，更隐藏着复杂的生物流体奥秘。

在科学层面，蝉的排尿行为正启发工程师开发新型微流体设备与仿生喷嘴。尤其是在医疗输液、芯片冷却和3D打印等需要精密控液的领域，如何在微尺度上实现省力而高效的液体喷射，是未来的研究方向。

参考文献：

[1] Challita, Elio J., and M. Saad Bhamla. "Unifying fluidic excretion across life from cicadas to elephants." Proceedings of the National Academy of Sciences 121.13 (2024): e2317878121.

[2] White, Joann, and Charles E. Strehl. "Xylem feeding by periodical cicada nymphs on tree roots." Ecological Entomology 3.4 (1978): 323-327.

作者丨Denovo科普团队（杨超 博士、中国科普作家协会会员、广东省青年科技创新研究会会员）

审核丨殷海生 中国科学院分子植物科学卓越创新中心，上海昆虫博物馆馆长/研究员级高级工程师