биомолекула.ру. Взгляд изнутри.
 

Логин:
Пароль:


Раскрыт принцип работы «природного пулемета»

[4 июня, 2015 г.]

Синхротронный рентгеновский анализ раздраженных жуков-бомбардиров объяснил, как работает их встроенный «пулемет», стреляющий потоками горячих токсичных химикатов.

Жуки-бомбардиры (Brachinini) не зря получили свое название. Эти создания обладают уникальным природным огнестрельным оружием, позволяющим им довольно прицельно* [1] выбрасывать из задней части брюшка потоки горячих (до 100 оС) химикатов. «Выстрелы» следуют очередями — то есть оружие жука можно сравнить с пулеметом. Характеристики этого природного пулемета впечатляют: он делает 350–750 выстрелов в секунду, а скорость движения потока горячих химикатов достигает 10 метров в секунду. До сих пор было не совсем понятно, как жукам удалось достичь таких успехов по превращению части своего тела в настоящее оружие. Поэтому ученые из Массачусетского технологического института и Университета Аризоны тоже вооружились — сканирующим электронным микроскопом (СЭМ), — чтобы наконец в подробностях изучить огнестрельную систему жука-бомбардира [2]. А самое замечательное, что им удалось с помощью рентгеновской съемки запечатлеть жучьи пулеметы в действии и показать всем, как эта система работает.

* — Если жуки-бомбардиры, использующие свой «ядомёт» сугубо в защитных целях, могут направлять его в нужную сторону, то хищные насекомые — стрекозы — во время охоты вообще способны моделировать поведение жертвы и просчитывать ее дальнейшие движения: «Моделирование помогает стрекозам охотиться» [3]. — Ред.

Химикаты, которые окисляются в «пулеметах» жуков — это гидрохиноны. В смеси с перекисью они поступают из специального резервуара в реакционную камеру (рис. 1), где находятся ферменты пероксидаза и каталаза. В результате бурной химической реакции смесь выбрасывается из выходного отверстия «пулемета». В этой схеме непонятно, откуда берется периодичность выстрелов — то есть за счет чего жуки извергают смесь очередями, а не сплошным потоком. Выходное отверстие постоянно открыто, так что дело не в нем. Между резервуаром с гидрохиноном и реакционной камерой есть клапан, но он снабжен только открывающими его мышцами, и каким образом поток химических веществ мог бы делиться на порции, всё равно непонятно.

Жук-бомбардир и его железы

Рисунок 1. Жук-бомбардир и его железы, работающие в качестве пулемета. На микрофотографии снизу (оптическая микроскопия анальных желез самки): белая стрелка указывает на резервуар с гидрохиноном и перекисью, желтая — на реакционную камеру с пероксидазой и каталазой, фиолетовая — на стык между этими двумя камерами. Там располагается клапан (ICV) и гибкая мембрана (EM) («видны» с помощью СЭМ на поперечном срезе справа). RSC — резервная камера; RXC — реакционная камера; VM — мышца, открывающая клапан; VO — место, где открывается клапан. Рисунок из [2].

Чтобы разобраться, как у жука получается стрелять очередями, ученые решили детально изучить устройство камер «пулемета». Для начала они почистили камеры от мышц, чтобы увидеть, нет ли в самой структуре стенок каких-то хитростей. Замечательные картинки внутреннего устройства «пулемета» удалось получить благодаря сканирующей электронной микроскопии (рис. 1, справа). Стенки камер укреплены мощной кутикулой, состоящей из устойчивого к кислотам полисахарида хитина, белков и воска. Но оказалось, что укрепление стенок неравномерное, и фрагмент стенки рядом с клапаном довольно гибкий. Ученые предположили, что этот фрагмент может сильно изгибаться под действием «взрыва» реагентов и закрывать собой клапан. Тогда доступ реагентов в камеру закрывался бы пассивно, то есть работа мышц для этого не требовалась бы. Дело было за малым — своими глазами увидеть, что «пулемет» работает именно так.

Для этого биологи обратились за помощью к физикам, и команда применила для исследования стрельбы жуков-бомбардиров ни много ни мало синхротрон. Используя его как источник мощного рентгеновского излучения, ученым удалось получить замечательные записи стрельбы жуков, объясняющие, как работают их «пулеметы». Эксперименты были увлекательными: сначала ученые охлаждали жуков, чтобы усыпить их, а затем фиксировали их клеем для моделирования так, чтобы было удобно снимать видео. Сами ученые удалялись в безопасную комнату, защищенную от рентгеновского облучения, и оттуда с помощью роботизированного манипулятора трогали жука за одну из лапок. Обычно этого оказывалось достаточно, чтобы жук выстрелил. Камера снимала 2000 кадров в секунду, и работу природных «пулеметов» удалось увидеть во всех подробностях. Как и ожидали, каждый «взрыв», который происходил из-за смешивания реагентов, отбрасывал назад тонкую мембрану рядом с клапаном, что на некоторое (очень короткое) время блокировало доступ новой порции реагентов. Именно так и получалась очередь из дискретных выстрелов, а не простая струя.

Выброс секрета анальных желез самца жука Brachinus elongatulus. Ролик, снятый с помощью синхротронной рентгеновской томографии (2000 снимков в секунду). Замедлено в 80 раз.

Очередь, как полагают исследователи, лучше сплошного потока химикатов тем, что позволяет точнее контролировать взрывные реакции. Получается, что гибкая стенка автоматически регулирует, сколько реагентов может одновременно находиться в камере. Правда, по подсчетам ученых, жук перестраховывается, и запас прочности кутикулы позволяет выдерживать в тысячу раз более сильное давление, чем возникающее при каждом выстреле. Но здесь еще нужно учитывать и высокие температуры реакций, и наличие в системе относительно хрупких частей (гибкой части стенки). В конце концов, никакие предосторожности не будут лишними, если в ваше тело встроен химический реактор, работающий как пулемет.

Литература

  1. Eisner T., Aneshansley D.J. (1999). Spray aiming in the bombardier beetle: photographic evidence. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 96, 9705–9709;
  2. Arndt E.M., Moore W., Lee W., Ortiz C. (2015). Mechanistic origins of bombardier beetle (Brachinini) explosion-induced defensive spray pulsation. Science348, 563–567;
  3. биомолекула: «Моделирование помогает стрекозам охотиться».

Автор: Кондратенко Юлия.

Число просмотров: 260.

Вернуться в раздел «Новости»

Комментарии

(Оставить комментарий) (показывать сначала старые комментарии)

Re: Раскрыт принцип работы «природного пулемета»

Михаил Потанин — 4 июня, 2015 г. 09:46. (ссылка)

Что бы создавать непрерывную струю железа должна создавать (и выдерживать) давление, большее, чем при взрыве.
Почитайте про устройства разных вариантов реактивных и ракетных двигателей. Инженеры сталкиваются с теми же проблемами. И тоже придумали пульсирующий реактивный двигатель.

(ответить)

Яндекс.Метрика

© 2007–2015 «биомолекула.ру»
Электропочта: info@biomolecula.ru
О проекте · RSS · Сослаться на нас

Дизайн и программирование —
Batch2k15.

Сопровождение сайта — НТК «Биотекст».

Условия использования сайта
Об ошибках сообщайте вебмастеру.