Механистическая природа выброса защитной пульсирующей струи жуком-бомбардиром (Brachinini)
Mechanistic origins of bombardier beetle (Brachinini) explosion-induced defensive spray pulsation. Eric M. Arndt, Wendy Moore, Wah-Keat Lee, Christine Ortiz. Science. 2015. Vol. 348. No 6234. P. 563–567.
Жуки-бомбардиры используют весьма эффективный способ защиты – в минуту опасности они выстреливают в противника из заднего конца брюшка горячей струей ядовитой жидкости. Залп длится доли секунды и состоит из нескольких выстрелов, следующих очень быстро один за другим (пульсирующая струя). Подвижность брюшка обеспечивает прицельность «стрельбы». Энтомологам давно известно, как устроено брюшко бомбардиров: в нем есть две камеры, в которых хранятся реагенты, необходимые для химической атаки. В момент, непосредственно предшествующий выбросу, реагенты смешиваются, реакционная смесь разогревается до 100 °С и жидкость под давлением выбрасывается наружу. Химические реакции, которые происходят при выбросе струи, также хорошо известны, их расшифровали еще в середине ХХ века. Однако сама механика пульсирующего выброса оставалась до последнего времени непонятна. Авторы использовали рентгеновское синхротронное излучение и скоростную камеру, делающую 2 000 кадров в секунду, что позволило в подробностях рассмотреть, как происходит выброс горячего пара из тела жука. У жука имеются специальные железы, которые вырабатывают гидрохинон, накапливая его в резервуарах вместе с перекисью водорода. Реагенты содержатся в двух соседних камерах: в одной – гидрохинон, в другой – перекись водорода. Камеры соединены каналом, по которому гидрохинон перетекает к перекиси. Между ними происходит бурная эндотермическая реакция. Вслед за температурой растет и давление. Канал между камерами закрывает специальная мембрана. Вскипевшая жидкость вылетает наружу, давление падает, и мембрана съеживается, позволяя сделать еще один выстрел. Хотя время, проходящее между выстрелами, ничтожно, тем не менее, по словам авторов работы, «химический реактор» бомбардиров успевает немного охладиться, так что перегрев жукам не грозит. У Brachinini есть и другие анатомические и физиологические приемы, повышающие эффективность оружия и защищающие тело насекомого от возможного вреда. В опасный момент открывается клапан в специальную реакционную камеру, укрепленную толстым слоем армированного белками хитина. Стенки реакционной камеры не растягиваются, так что вся энергия уходит в выстрел. В камере имеются ферменты, расщепляющие перекись и переводящие гидрохинон в бензохинон. Авторы обнаружили систему клапанов и эластичных элементов, встроенных в реакционную камеру. Эти элементы хорошо видны: они отличаются по цвету и строению от толстых и жестких стенок камеры. Так, особый гибкий клапан открывает вход в камеру из резервуаров, а при увеличении давления в камере очень надежно прилегает к стенке входа, не позволяя нагретой смеси устремиться обратно в резервуар. Другие гибкие части встроены в верхнюю область реакционной камеры. При увеличении давления изнутри эта область раздувается, образуя эллипсоидные поверхности. Эта система эластичных поверхностей служит своеобразным предохранителем, не позволяя смеси реагентов взрываться внутри тела жука. Исследование показало, что ключевым этапом в формировании описываемой особенности жуков-бомбардиров было образование эластичных элементов в реакционных камерах.
В.В. Стрекопытов