Раскрыт принцип работы «природного пулемета»
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 ферментыпероксидаза 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.
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 полисахаридахитина, 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
| |||
понедельник, 22 июня 2015 г.
Раскрыт принцип работы «природного пулемета»
