Жуков-бомбардиров накормили дейтерированным метакрезолом и заставили стрелять

Американские исследователи изучили биохимию защитного спрея жуков-бомбардиров Brachininae elongatulus, который разогревается до 100 градусов Цельсия, и опровергли существование единого исходного вещества для бензохинонов. Для каждого бензохинона потребовался свой прекурсор, при этом он может попадать в организм, как через первичную полость, так и через пищу. В экспериментах ученые вводили в жуков дейтерированный метакрезол и определяли, во что он трансформировался при выстреле. Статья опубликована в журнале The Science of Nature.

Семейство Жужелиц (Carabidae) активно использует химические средства защиты от внешних угроз. Жуки-бомбардиры (подсемейства Brachininae и Paussinae) используют их наиболее эффективно — они выстреливают из брюшных желез горячую жидкость (до 100 градусов Цельсия) с характерным хлопком. Защитные механизмы многих видов этих подсемейств уже изучены, однако у жуков вида Brachinus elongatulus остался неизученным состав защитного секрета. 

Бомбардиры не хранят защитную жидкость, а смешивают химические реагенты непосредственно перед выстрелом. В основе экзотермической химической реакции лежит окисление гидрохинона перекисью водорода до бензохинона. Бензохиноны используют не только бомбардиры, например, бензохинон в своей защитной системе используют некоторые членистоногие (многоножки и сенокосцы), тараканы, уховертки и термиты. У скарабеоидных жуков (Scarabaeoidea) бензохинон может использоваться в качестве феромона.

Однако исследователи до сих пор не понимают процесс биологического синтеза бензохинонов. Существуют лишь некоторые гипотезы: некоторые ученые считают источником хинонов 1,4-гидрохинон, другие — ароматические аминокислоты (тирозин или фенилаланин), а недавние работы биохимиков показали, что бензохиноны могут образовываться в ходе многостадийной реакции конденсации ацетатов и пропионатов.

Атула Эттигейл (Athula B. Attygalle) с коллегами из Технологического института Стивенса и Университетов Калифорнии и Аризоны предположила, что источником 2-метил,1,4-бензохинон является метакрезол. Чтобы подтвердить эту гипотезу, ученые проследили за изотопным составом секрета после введения дейтерированного метакрезола в первичную полость жука-бомбардира и после добавки его в пищу. Более того, исследователи проверили возможность хранения реагентов в специальных резервуарах — для этого они перевязали основание резервуара и отделили его от реакционной камеры.

Жуков вида B. elongatulus ученые разделили на несколько групп: одной группе вводили дейтерированный прекурсор через первичную полость, вторую группу в течение нескольких недель кормили едой с этим веществом. Перед экспериментом жуков подмораживали для уменьшения их активности, а затем активировали их с помощью пинцета. У некоторых жуков ученые рассекали брюшки и экстрагировали вещества из накопительного резервуара.

С помощью газовой хроматографии ученые определили, что в защитном секрете жука-бомбардира в основном содержится 2-метил-1,4-бензохинон и 1,4-бензохинон, а также небольшие количества их производных. Чтобы узнать, какой продукт получается при введении в первичную полость дейтерированного метакрезола, ученые использовали метод масс-спектрометрии и установили, что получился дейтерированный 2-метил-1,4-бензохинон — это подтверждает возможность использования метакрезола в качестве реагента. Более того, жуки B. elongatulus показали такой же результат просто при добавлении дейтерированного метакрезола в пищу.

Биохимики провели хроматографические исследования экстракта из резервуаров и обнаружили в нем 1,4-гидрохинон и 2-метил-1,4-гидрохинон, которые в итоговом защитном секрете содержатся лишь в следовых количествах. При перевязке резервуара и ограничении доступа реагентов количество бензохинонов значительно уменьшилось. Чтобы доказать, что гидрохинон — промежуточное вещество, ученые изучили экстракт из резервуаров у жуков, питающихся дейтерированным метакрезолом. Авторы статьи обнаружили, что в экстракте содержался дейтерированный 2-метил-1,4-гидрохинон, что и подтвердило гипотезу авторов. При этом они проверили, какой продукт получится из дейтерированного 1,4-гидрохинона, и обнаружили только бензохинон.

Таким образом, ученые выяснили, что у каждого бензохинона имеется свой прекурсор, что отрицает предыдущие предположения о едином веществе-предшественнике для всех бензохинонов. Метакрезол обладает цитотоксичными свойствами, разрушая липидную мембрану, однако жуки B. elongatulus по всей видимости имеют к нему сопротивление.

Защитный механизм жуков-бомбардиров давно интересует ученых. Пять лет назад исследователи из MIT с помощью высокоскоростной рентгеновской камеры засняли выстрел секрета жука-бомбардира. А два года назад ученые выяснили, что жуки-бомбардиры предпочитают отдыхать большими группами из-за времени перезарядки, а раздражающие свойства их спрея помогли выбраться из желудка жабы.

Артем Моськин