Жук-бомбардир — миниатюрный биохимический реактор

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Среди множества защитных приёмов в мире насекомых есть один по-настоящему уникальный. Некоторые жуки способны не просто выделять токсичные вещества, а выстреливать струёй горячей жидкости, нагретой почти до кипения. Такой механизм встречается у жуков-бомбардиров, и по сложности он сравним с миниатюрной химической установкой, встроенной в тело насекомого.

Жуки-бомбардиры и среда обитания

Жуки-бомбардиры — это обширная группа плотоядных жужелиц, относящихся к подсемейству Brachininae и входящих в подотряд Adephaga. Они распространены по всему миру, но наиболее разнообразны во влажных тропических и субтропических регионах (леса, берега водоемов). Эти жуки, обычно тёмной окраски с желтоватыми или красноватыми отметинами, встречаются также особи в светлой окраске с пятнами. Они ведут хищный образ жизни, питаясь другими насекомыми.

Хотя для всего подотряда Adephaga характерно выделение защитных токсинов, жуки-бомбардиры уникальны тем, что выпускают струю горячей, ядовитой жидкости из брюшка. Этот «химический выстрел», сопровождаемый хлопком, является результатом мгновенного смешивания реагентов в специальной камере. Именно такая реактивная система обороны превращает жуков-бомбардиров в исключительный пример эволюционной адаптации.

Жук-бомбардир Brachinus nobilis подсемейства Brachininae подотряда Adephaga
Жук-бомбардир Brachinus nobilis подсемейства Brachininae подотряда Adephaga
Автор: U. Schmidt Источник: species.wikimedia.org

Как устроен «реактор» жука

У этих жуков имеется две симметричные железы внутренней секреции. Каждая соединена каналом с собственным резервуаром, где хранится смесь гидрохинонов и перекиси водорода. От резервуаров отходят реакционные камеры меньшего объёма, стенки которых отличаются высокой плотностью и прочностью. Внутри них находятся ферменты каталаза и пероксидаза, выполняющие роль катализаторов.

Когда жук чувствует угрозу, мышцы сжимают стенки резервуаров, и смесь реагентов поступает в реакционную камеру. Там под действием ферментов из перекиси водорода выделяется атомарный кислород, который окисляет гидрохиноны до хинонов (в основном 2-метил-1,4-бензохинона). Обе реакции экзотермические — температура жидкости повышается примерно до 100 °C, при этом выделяющийся газ увеличивает давление в камере и выталкивает содержимое наружу через отверстия на конце брюшка.

Долгое время у биологов возникали вопросы, касающиеся того, как насекомое избегает повреждений при выбросе кипящей жидкости. Ответ дали исследования 2015 года, проведенные учеными из Массачусетского технологического института (MIT), включая Кристин Ортиз и Эрика Арндта. Используя высокоскоростную синхротронную рентгеновскую визуализацию, исследователи установили, что выброс горячей жидкости (температура которой достигает 100 °C происходит не непрерывной струей, а серией быстрых импульсов, следующих с частотой до 500 раз в секунду.

Было определено, что этот пульсирующий выброс контролируется физическим механизмом: повышение давления в реакционной камере заставляет специальную мембрану (клапан) временно перекрывать подачу реагентов.

Ученые пришли к выводу, что такая импульсная система позволяет стенкам реакционной камеры успевать остыть между микровзрывами, предотвращая термическое повреждение хитинового корпуса жука.

Таким образом, жуки-бомбардиры используют контролируемый, импульсный выброс, который обеспечивает эффективность защиты и сохранение самого насекомого.

Защитная реакция жука-бомбардира, вольная интерпретация
Защитная реакция жука-бомбардира, вольная интерпретация
Автор: Open AI Chat GPT

Разнообразие защитных механизмов

У представителей подсемейства Paussinae брюшко менее подвижно. Чтобы атаковать врага спереди, они направляют выброс на специальные выступы надкрылий, которые перенаправляют поток жидкости вперёд. Эти выступы особенно развиты у жуков трибы Ozaenini. Например, некоторые представители рода Goniotropis выбрасывает непульсирующую струю со скоростью около 2,4 м/с.

Жук-бомбардир Goniotropis parca трибы Ozaenini
Жук-бомбардир Goniotropis parca трибы Ozaenini
Автор: {{{name}}}

Более примитивный вариант защиты наблюдается у трибы (группы родов) Metriini. Эти жуки не формируют направленной струи, а выделяют пузырящуюся жидкость с температурой 55-77 °C, содержащую в основном неметилированные хиноны. Жидкость вытекает по длинному каналу вдоль надкрылий, вспениваясь у их основания и образуя облако раздражающего вещества.

Жук-бомбардир Metrius Contractus апклставитель трибы Metriini
Жук-бомбардир Metrius Contractus апклставитель трибы Metriini
Автор: {{{name}}} Источник: en.wikipedia.org

Природная инженерия

Система защиты жука-бомбардира — пример того, как биологическая эволюция способна создавать решения, сопоставимые с инженерными решениями. Комбинация резервуаров, катализаторов, точного дозирования и направленного выброса превращает эти железы в естественный микрореактор с системой термоконтроля и управления давлением.

Такое устройство давно привлекает внимание исследователей в области биомиметики: принципы защиты жука-бомбардира рассматриваются при проектировании микродвигателей, пульсирующих систем подачи топлива и тепловых клапанов. В природе подобные механизмы служат лишь для защиты, но их инженерная точность делает жука-бомбардира одним из самых интересных вариаций природной микроинженерии.

Изображение в превью:
Автор: Open AI Chat GPT
Источник: Open AI Chat GPT

0 комментариев

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Мишура в октябре, выгорание в декабре: зачем ритейл растягивает Новый год на квартал и почему это так бесит

Я хорошо помню, каким был Новый год лет пятнадцать-двадцать назад. У подготовки к нему были чёткие и понятные границы: ёлочные базары и витрины с мишурой появлялись в лучшем случае в середине...

Как небольшой Тайвань стал мировым центром производства чипов

Компания может разработать процессор, годами продавать его под своим именем и при этом не иметь ни одного завода, способного его изготовить. За производством она обратится к специализированной...

✦ ИИ  Зачем в мороженое добавляют воздух

В шарике мороженого воздуха может быть примерно половина объёма — его вводят туда специально. Пузырьки участвуют в создании привычной лёгкой текстуры, поэтому их присутствие само по себе...

Покадровая съемка электронов впервые показала, как свет вызывает квантовые переходы в графене

Скорость работы современной компьютерной техники уперлась в фундаментальное физическое ограничение. Тактовая частота серийных кремниевых процессоров уже два десятилетия держится на уровне...

Ученые вырастили организм, от которого произошла вся сложная жизнь. Внутри него не оказалось органов

Все живые существа на Земле делятся на две принципиально разные группы.К первой относятся бактерии и археи. Их клетки устроены относительно просто: внутри нет изолированных отсеков, а генетический...