Новый анализ раскрывает механизм создания взрывного защитного химического струи у жуков-бомбардиров

Жуки-бомбардиры, обитающие на всех континентах, кроме Антарктиды, имеют эффективную защиту: при угрозе они производят внутренний химический взрыв в брюшке и выбрасывают струю кипящей, раздражающей жидкости на нападающего.

Загадка того, как жуки (~1.3 см) производят этот выброс, не повреждая себя, была решена исследователями из MIT, Университета Аризоны и Брукхейвенской национальной лаборатории. Результаты опубликованы в журнале Science.

Их защитный механизм высокоэффективен, делая жуков "неуязвимыми для большинства позвоночных и беспозвоночных", — говорит Эрик Арндт.

Выбрасываемая жидкость — бензохинон — распространённое защитное средство среди насекомых. Уникальность бомбардиров в способности перегревать жидкость и извергать её интенсивной пульсирующей струёй.

Ключ в том, что они синтезируют химикат в момент использования, смешивая два химических предшественника в защитной камере. При их соединении образуется раздражитель и выделяется интенсивное тепло, доводящее жидкость почти до точки кипения. Этот процесс генерирует давление, необходимое для выброса струи.

Наблюдение внутри живого жука

"Десятилетиями сложный механизм пульсации струи не был понят, так как использовались только внешние наблюдения", — говорит Кристин Ортис. В этом исследовании использовалась высокоскоростная синхротронная рентгеновская визуализация, чтобы "увидеть" внутреннюю часть брюшка живых жуков во время взрывов. Камера записывала действие со скоростью 2000 кадров в секунду.

Рентгеновские снимки взрыва раскрыли динамику пара внутри брюшка. Они показали, что пульсация струи контролируется проходом между двумя внутренними камерами с помощью двух структур: гибкой мембраны и клапана.

Открытие и закрытие этого прохода между камерой с предшественником и взрывной камерой, по-видимому, происходит пассивно: рост давления при взрыве расширяет мембрану, закрывая клапан. После выброса жидкости и сброса давления мембрана возвращается в исходное состояние, проход открывается, позволяя сформироваться следующему импульсу. Весь процесс происходит чрезвычайно быстро и внутри насекомого, поэтому ранее не наблюдался напрямую.

Взрывной механизм бомбардира генерирует струю, которая не только значительно горячее, чем у других насекомых, использующих тот же раздражитель, но и выбрасывается в пять раз быстрее. И скорость, и тепло повышают эффективность против хищников.

Пульсирующий характер струи может помогать защищать структуру реакционной камеры жука, давая время стенкам камеры немного остыть перед следующим импульсом.

Понимание способности жуков выдерживать эти интенсивные внутренние взрывы может помочь в проектировании систем взрывозащиты. Исследование показывает, как сложный биологический дизайн системы одновременно выполняет защитные функции. Например, реакционная камера обладает жёсткой армирующей структурой, чтобы минимизировать растяжение и выдерживать рост температуры, в то время как другие компоненты позволяют контролируемое, обратимое растяжение для управления струёй. Динамика генерации струи также может предоставить информацию, полезную для проектирования двигательных систем.