Выброс струи бомбардирами засняли в подробностях

Исследователи из MIT засняли на высокоскоростную рентгеновскую камеру работу внутренних органов жука-бомбардира во время его стрельбы горячей токсичной жидкостью. Это позволило в деталях понять механику генерации выстрела и объяснить, каким образом сами жуки остаются при этом целыми. Результаты работы опубликованы в Science.

Жуки-бомбардиры из подсемейства жужелиц Brachininae способны прицельно выстреливать из желез в задней части брюшка саморазогревающейся, токсичной смесью химических веществ. Ее температура может достигать 100 градусов по Цельсию, а скорость выброса 10 м/с. Один выстрел длится от 8 до 17 мс, и состоит из 4-9 непосредственно следующих друг за другом импульсных выбросов.

Общая химия и механика процесса выстрелов уже в достаточной степени известны. Однако оставалось загадкой - как при таких «баллистических» характеристиках жуков, их самих не разрывает изнутри. Новое исследование, благодаря использованию синхротронной рентгенографии и высокоскоростной съемки, дало ответ на этот вопрос.

Бомбардиры обладают двумя симметрично-расположенными железами внутренней секреции, соединенными посредством длинных каналов с собственными резервуарами. Туда выделяется смесь гидрохинонов и пероксида водорода. Каждый резервуар связан с реакционной камерой меньшего размера, обладающей плотными, толстыми стенками. В них содержится каталаза и пероксидаза. Во время выстрела стенки резервуаров сжимаются, и смесь реагентов поступает в реакционную камеру. Там из пероксида водорода образуется атомарный кислород, а гидрохиноны превращаются в бензохинон. Обе реакции экзотермические и вызывают разогрев жидкости до 100 градусов. Кислород в реакционной  камере резко увеличивает объем вещества и его давление, в результате чего оно выбрасывается наружу через отверстия на кончике брюшка.

Детальная запись процесса показала, что импульсные выбросы во время выстрела контролируются специализированными, прилегающими друг к другу структурами из кутикулы – гибкой мембраной и клапаном.
Эти структуры связывают резервуар и камеру наподобие управляемого с помощью обратной связи сфинктера. Реагенты свободно проникают в реакционную камеру, но по мере роста давления внутри нее, мембрана растягивается и закрывает клапан. Поступление реагентов прекращается. После выброса жидкости мембрана расслабляется, и клапан вновь открывается. Этот процесс продолжается по кругу до тех пор, пока не истощатся все реагенты. В совокупности, это позволяет жукам-бомбардирам стрелять в пять раз быстрее других насекомых, использующих сходный механизм защиты.

Более того, обнаруженная пульсовая механика выстрела защищает реакционную камеру от повреждений и дает ей время на охлаждение. Реакционная камера остается достаточно жесткой и практически не растягивается, что позволяет сохранять высокую температуру жидкости и накапливать давление для выстрела, в то время как дополнительные регулирующие структуры растягиваются и двигаются, дозируя поступление химикатов и не давая реакциям выйти из под контроля.

Ученые полагают, что механика «системы стрельбы» жуков-бомбардиров послужит бионическим прототипом для технических импульсных систем.