Многие жуки выделяют из своего живота дурно пахнущие или неприятные на вкус химические вещества, чтобы отогнать хищников, но жуки-бомбардиры идут дальше. Когда им угрожает опасность, они объединяют химические вещества во взрывоопасной камере химической реакции в брюшной полости, чтобы одновременно синтезировать, нагревать и выдвигать свой защитный груз в виде кипящей горячей струи с «пушечным дымом». Они даже могут точно навести насадку на нападающего.Мур, доцент кафедры энтомологии Колледжа сельского хозяйства и наук о жизни UA, только что опубликовал статью вместе с многопрофильной группой ученых, в которой не только раскрывается стреляющий аппарат жука в невиданных ранее деталях, но и решается вопрос. давняя тайна того, как животные достигают своих безумных скорострельных способностей.
«Понимание того, как эти жуки производят — и выживают — повторяющиеся взрывы, может дать новые принципы проектирования для таких технологий, как смягчение последствий взрыва и движение», — сказали ведущие авторы исследования о мотивации своих исследований. Исследование было проведено докторантом Эриком Арндтом и Кристин Ортис с факультета материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института в Кембридже.
Арндт и Ортис объединились с Муром, чтобы изучить анатомию реакционной камеры жука, которая состоит из кутикулы, состоящей из хитина, белков и восков. Прочный материал, который также составляет экзоскелет насекомых, защищает жука от токсичных химикатов, высоких температур и высокого давления во время взрывов.Однако механизм пульсации брызг жука-бомбардира не был понят, потому что предыдущие исследования, основанные на внешних наблюдениях, не могли выяснить, что именно происходит внутри реакционной камеры химической пушки.«Двадцать пять лет назад группа ученых из Корнельского университета и Массачусетского технологического института обнаружила, что каждый взрыв жука-бомбардира на самом деле представляет собой серию чрезвычайно быстрых микроимпульсов», — сказал Мур. «Что не было известно, так это то, что заставляет каждый разряд быть пульсирующим, как пулемет.
Предыдущие исследователи предположили, что эти импульсы были вызваны сокращением мышц или трепетанием выходного канала во время взрывов».Используя ферменты, которые переваривают мышцы и жир, Мур мог очистить реакционную камеру и изучить ее с помощью оптической микроскопии, как никогда раньше. Изучая форму реакционной камеры, она заметила, что некоторые области стенки камеры были тонкими и не такими прочными, как другие, и что одна область возле смесительного клапана выглядела особенно тонкой. Она предсказала, что эта тонкая кутикула будет смещена под действием силы реакций таким образом, что она будет сталкиваться с клапаном, временно перекрывая поток реагентов.
Чтобы исследовать эту гипотезу, команда решила непосредственно наблюдать внутреннюю динамику пульсации брызг у живых жуков вида Brachinus elongatulus, обитающего в прибрежных средах обитания по всей южной Аризоне.Команда доставила сотни жуков Brachinus Вах-Киту Ли, ученому-синхротрону, который в то время работал с усовершенствованным источником фотонов в Аргоннской национальной лаборатории в пригороде Чикаго, чтобы изучить их с помощью сверхбыстрого рентгеновского изображения. Соавтор исследования, который сейчас находится в Брукхейвенской национальной лаборатории, Ли помог организовать эксперимент по получению рентгеновского видео, на котором жуки запускают свои коптильные патроны со скоростью до 2000 кадров в секунду.Мур и ее сотрудники разместили жуков в плотно закрытой комнате рядом с синхротроном — ускорителем частиц, который может производить интенсивное рентгеновское излучение.
«Мы могли управлять жуками дистанционно, используя роботов из безрадиационной диспетчерской, в то время как рентгеновские лучи проникали в брюшную полость жуков, позволяя нам визуализировать разряды внутри», — сказал Мур.Самый простой и наименее инвазивный способ заставить жука-бомбардира выстрелить — это захватить одну из его ног щипцами. Чтобы получить пригодные для использования кадры, исследователи должны были точно координировать удаленное обращение с жуками, источником рентгеновского излучения и высокоскоростной видеосъемкой.«Источник рентгеновского излучения очень мощный, но он не убивает жуков», — сказал Мур. «Для каждого эксперимента мы должны были охладить жука, осторожно установить его в камере наблюдения так, чтобы рентгеновский луч был направлен точно на защитные железы, запечатать двери, перейти к центру управления полетом, щелкнуть выключателем, чтобы позволить рентгеновский луч, чтобы войти в комнату, и использовать роботизированные манипуляторы, чтобы дистанционно прикоснуться к ноге жука, чтобы он взорвался.
В некоторых случаях просто включение излучения приводило к взрыву ».Из 500 жуков исследователи смогли записать 30 разрядов у 14 особей, чего достаточно, чтобы обеспечить высокоскоростное видео высокой четкости о том, что происходит внутри реакционной камеры жука-бомбардира, когда он срабатывает.
Мур и ее сотрудники наблюдали, как жуки регулируют сверхбыстрые микроимпульсы, чего раньше никогда не было.Оказывается, импульсы генерируются пассивным образом, а не в результате активного процесса сокращения мышц, как предполагалось ранее.
Когда химические вещества проходят через клапан в реакционную камеру, они смешиваются с ферментами и со взрывом выделяют газообразный кислород, водяной пар и тепло, выбрасывая горячую ядовитую струю через сопло и выходящую из поры. Каждый взрыв внутри камеры заставляет высокоэластичную область стенки камеры — тонкую кутикулярную область, которую Мур обнаружила в своих более ранних разрезах, — расширяться и сталкиваться с клапаном, который разделяет две камеры, временно перекрывая поток реагентов и в результате в импульсном режиме доставки.«Оказывается, расширительная мембрана реакционной камеры действует как пассивный механизм закрытия, чего не было ни описано, ни даже предсказано до этого исследования», — сказал Мур. «Мы также обнаружили, что анатомия камеры различается у самок и самцов».Хотя до сих пор не совсем понятно, почему для жука может быть выгодна импульсная доставка, Мур подозревает, что разделение брызг на очень короткие, быстрые импульсы позволяет жуку поддерживать энергию взрыва и его небольшой размер тела на месте. в то же время.
«Благодаря импульсной доставке эти маленькие жуки производят относительно большое количество защитных брызг, в которые они могут прицелиться точно, с большой силой и скоростью», — сказал Мур. «Это действительно один из самых замечательных и элегантных защитных механизмов, зарегистрированных на сегодняшний день».