Физика в мире животных: жук-бомбардир и его «орудие»

Жуки-бомбардиры представлены подсемействами Brachininae и Paussinae (семейство жужелицы). Встречаются бомбардиры повсеместно, их нет разве что в Антарктиде. Более известным является подсемейство Brachininae. Его представителей ученые изучили лучше всего.

Размер жуков этого подсемейства самый разный. Максимальный размер жука-бомбардира составляет 3 см. Выглядят они обычно, нет ни ярких надкрылий, ни особенно больших жвал. Зато есть нечто другое — способность стрелять во врага ядовитой жидкостью, температура которой достигает 100 °C. При этом жидкость сама по себе примечательна, не говоря уже о процессе «выстрела».

Что это за жидкость?

Стреляют жуки смесью гидрохинонов и пероксида водорода. Эта смесь вырабатывается двумя симметричными железами внутренней секреции. Вещества, выработанные железами, поступают в специальный резервуар с укрепленными стенками. Есть еще и резервуары поменьше, содержатся каталаза и пероксидаза. Их стенки также укреплены, и они связаны с центральным резервуаром. Мышцы, которые отвечают за открытие и закрытие «ствола», плотно сжаты. Аналогичным образом закрыты и камеры с реагентами. Когда жук спокоен, жидкости не смешиваются, все «колбы» плотно закрыты. 

Как только жуку нужно выстрелить, стенки большого резервуара сжимаются, и вещества из меньших камер выдавливаются в основной «реактор». Здесь ферменты вступают в реакцию с пероксидом водорода, в результате чего образуется атомарный кислород. Это очень сильный окислитель, который вступает в реакцию с гидрохинонами, окисляя их до хинонов (ученым удалось выяснить химических состав этих веществ — это 2-метил-1,4-бензохинон).

Обе реакции проходят с выделением большого количества тепла — смесь разогревается до 100 °C. Не забываем, что все это происходит не в стеклянном сосуде вроде колбы или пробирки, а в организме живого существа. Как только в основной камере появляется еще и кислород, объем вещества увеличивается, и вся эта смесь выбрасывается через отверстия на кончике брюшка насекомого. Отдельные выстрелы контролируются при помощи специальной мембраны. Если давление в резервуаре превышает определенный уровень, мембрана открывается, смесь выбрасывается, давление снижается. Мембрана закрывается. После этого процесс повторяется, и так до полного истощения реагентов в камерах брюшка жука. Пульсация необходима для того, чтобы резервуар, где происходит основная реакция, успевал остыть до момента нового выстрела.

Кончик брюшка у насекомого очень подвижен. При «стрельбе» благодаря этой подвижности жук может прицеливаться, причем очень точно. Он способен «выстрелить» под себя, за себя, над головой, направо, налево и вверх. Бомбардиры ряда видов выстреливает жидкость не струей, а серией выстрелов, продолжительность каждого составляет от 8 до 17 мс. Скорость выброса жидкости достигает 10 м/с. Помня о том, что враг жука обычно находится совсем рядом, можно говорить, что «снаряд» настигает врага практически мгновенно. Муравей, жук большего размера или даже лягушка, собиравшиеся схватить бомбардира, обычно ничего не успевают сделать. 

Для того, чтобы изучить процесс «стрельбы» Эрик Арндт (Eric Arndt) и его коллеги из Массачусетского технологического институтаиспользовали сложную систему. Она состоит из излучателя рентгеновского синхронного излучения и скоростной камеры, которая способна делать до 2000 кадров в секунду. 

Выбрасывать отпугивающую жидкость могут и другие жуки. В частности, жужелицы ряда видов умеют выбрасывать едкую жидкость в разных направлениях. Но внутри их брюшка не происходит никакой реакции — эта жидкость вырабатывается специальными железами. Ни нагревания до высокой температуры, ни значительного давления в этом случае нет. 

Интересно еще и то, что самцы и самки бомбардиров могут «стрелять» одинаково точно. Но вот приспособления для выстрелов у них несколько различаются, хотя сама реакция, резервуары и все прочее абсолютно такое же. 

Как выживает сам бомбардир?

Это сложный вопрос, на который энтомологи (и не только они) пытались найти ответ не один год. Все дело в том, что камеры с реактивами и главный резервуар покрыты особой тканью. Эта ткань не только устойчива к содействию всех химических веществ, принимающих участие в реакции, но и выдерживает высокую температуру. Плюс ее теплопроводность мала, так что тепло не распространяется по всему организму жука, нагревается лишь главный резервуар. Резервуар при «выстреле» не растягивается.

Жук-бомбардир и авиация

Система органов жука, где проводится химическая реакция и выброс жидкости, может иметь важное значение для человека. Во-первых, данные изучения процесса импульсного «выстрела» жука могут пригодиться инженерам, проектирующим различные двигатели, включая реактивные двигатели для самолетов. Возможно, технология точного и быстрого впрыска поможет обеспечить восстановление работоспособности движка после его случайной остановки. 

Ученым предстоит еще многое выяснить, сейчас основное внимание специалистов сосредоточено на камере, где происходит реакция окисления реагентов. Изучение строения этой камеры может помочь создать термостойкий, устойчивый к действию активных химических веществ материал. Он пригодится в промышленности, науке, военном деле. 

Что еще?

Жук-бомбардир очень по душе креационистам. Они утверждают, что такая сложная специализированная система не могла появиться в процессе эволюции. Ну а раз так, то жук появился вдруг и сразу в качестве божественного творения. Сейчас ученые смогли найти промежуточные звенья эволюции жука-бомбардира, где «орудие» постепенно становится все более сложным. Да и современные представители подсемейств бомбардиров «вооружены» по-разному. У некоторых жуков наведение идет при помощи надкрыльев, а не брюшка. Другие бомбардиры выбрасывают лишь слегка нагретую жидкость, а ряд видов так и вообще выделяют лишь едкую жидкость без подогрева. Различаются у них и камеры — можно проследить развитие «лаборатории» от простой системы к сложной. Так что ни о какой «божественности» жука не может быть и речи.