Удивительный жук-бомбардир

Автор: Проф. Энди Макинтош (англ. Andy McIntosh)
Источник: creation.com
Перевод: Алена Недоступ
Редактура: Елена Бондаренко, Катерина Савченко

Необычное насекомое, известное как жук-бомбардир (рис. 1), выбрасывает горячие брызги, чтобы отогнать любого потенциального хищника — и обычно побеждает. Спрей представляет собой смесь едких химикатов, горячей воды и пара и выпускается из специального сопла (кончика брюшка), которое может быть направлено в любую сторону!

Рисунок 1. Африканский жук-бомбардир (Stenaptinus insignis)

Особая защита с подвижной танковой башней

Жуки-бомбардиры (Carabidae brachinini) встречаются в основном в теплых климатических зонах Азии, Африки, Австралии и США. Но они так же встречаются и в Европе, а небольшие колонии наблюдались даже в южной Англии. Обычно они находятся недалеко от воды и днем прячутся под камнями.

Смесь химически нагретого пара и ядовитых химикатов жука-бомбардира выбрасывается из задней части его брюшка (см. рис. 2) через специальную «башенку», которая может перемещаться в любом направлении (даже перекручиваясь через спину и направляясь вперед — см. рис. 3). Вся система используется для защиты от хищников, таких как муравьи, птицы, пауки и лягушки — обычно успешно, оглушая противника жука.

Как это работает?

Рисунок 2. Жук-бомбардир, опрыскивающий нападающего муравья

Химические вещества не выходят непрерывным потоком. Профессор Том Эйснер в 1999 году стал соавтором основополагающей статьи о жуке и показал, что серия взрывов производится путем соединения двух химических веществ гидрохинона и перекиси водорода в присутствии двух катализаторов: каталазы и пероксидазы.^[1] (Катализатор заставляет реакцию протекать намного быстрее, но не расходуется на нее.) В ходе хитроумного эксперимента Эйснер снял на пленку зафиксированного стреляющего африканского жука-бомбардира, а затем воспроизвел видео в замедленном темпе. Таким образом он показал, что происходит около 500 взрывов в секунду и что, подобно пулемету, стреляющему повторными очередями, выстрелы идут короткими очередями по 2-3 секунды каждая. Жук может делать это неоднократно, иногда 4-5 раз, прежде чем истощенной химической системе потребуется несколько минут для восстановления.

Вдохновленный жуком, я понял, что есть продуманный дизайн, который нужно разгадать. В ходе обсуждений с Эйснером я начал работать над этим в Лидском университете (Великобритания). Мы показали, что эти взрывы контролируются уникальной системой клапанов, в которой высокое давление заставляет входной клапан закрываться, а выходной — открываться (см. рис. 4). Это приводит к сильному взрыву пара (внезапному испарению), когда почти мгновенно значительная часть жидкости (в основном вода) расширяется до состояния пара. Данная масса пара занимает примерно в 1 600 раз больше объема той же массы воды, поэтому этот выброс происходит с такой силой, что он уносит с собой большую часть оставшейся воды вместе с едкими химическими веществами. Было показано, что струя достигает примерно 20 см — это примерно в 200 раз больше длины крошечной реакционной камеры длиной 1 мм.^[2,3,4] (См. кадры из серии Life Дэвида Аттенборо,^[5] где показано, как жук-бомбардир успешно отражал атаку муравьев.)

Крошечная реакционная камера

Препарирование задней части брюшка жука показало ещё больше деталей  его сложной системы химической защиты. Прежде чем два химических вещества вступают в реакцию, они вместе проходят по очень тонкой трубке, где катализаторы либо секретируются, либо, возможно, находятся в кристаллической форме.

Рисунок 3. Жук-бомбардир, демонстрирующий турель (подвижный кончик брюшка), которая позволяет ему стрелять через спину

Катализаторы каталаза и пероксидаза действуют на перекись водорода и гидрохинон. Затем перекись водорода превращается в воду/пар, высвобождая таким образом атом кислорода на каждую молекулу перекиси, который затем соединяется с молекулами водорода, высвобождаемыми из гидрохинона. Тепло от сильной водородно-кислородной реакции вызывает реакцию между остальными химическими веществами, а расширяющийся пар приводит к паровому взрыву.

Клапанная система представляет собой пассивную систему реагирования, так что клапаны управляются за счет изменения давления. Когда реакционная камера пуста (см. рис. 4 выше, левая панель) и при атмосферном давлении входная трубка открыта, позволяя реактивам поступать в камеру, а выходная трубка закрыта мембраной, которая блокирует нижнюю часть трубки. Как только камера заполнится и химические вещества вступят в реакцию (см. рис. 4, средняя картинка), концы самой камеры, которая имеет форму боксерской перчатки, зажимают входную трубку. По мере протекания химической реакции в камере образуется тепло, и давление в камере увеличивается до тех пор, пока мембрана не будет принудительно открыта в нижней части выходной трубки (см. рис. 4 справа).

Рисунок 4. Схема клапанной системы жука-бомбардира, воспроизведенная из ссылки 4, стр. 30 

Рисунок 5. Летающая бомба V1 (Фау-1) нацистской Германии, получившая прозвище «Doodlebug», работала за счет импульсного горения, аналогично системе жука-бомбардира.

Первоначальные исследования самой камеры позволяют предположить, что конструкция камеры выполнена из специального термостойкого материала, чтобы жук сам не сварился. Обе трубки, ведущие в реакционную камеру и из нее, а также сама камера полностью отделены от пищеварительного тракта жука.

Когда горячая жидкость выбрасывается, давление в камере падает, вход снова открывается, позволяя большему количеству реагентов попасть в камеру, и процесс повторяется до тех пор, пока все реагенты не будут исчерпаны.

Этот процесс называется «импульсным сгоранием» и используется некоторыми двигателями для придания тяги. Самым печально известным примером этого была летающая бомба V1 Doodlebug (см. рис. 5) времен Второй мировой войны, использованная Гитлером в 1944 году для бомбардировки Лондона и южных графств Англии. В случае V1 топливом был бензин (моторное топливо), горящий в воздухе. В то время мало кто понимал, что подобная система сгорания уже использовалась жуком-бомбардиром не для движения, а для забрызгивания врагов!

Биоинспирация от жука-бомбардира

Исследования, начатые в Университете Лидса, позволили нам разработать систему распыления, основанную на технике, используемой жуком. Вопреки утверждению, что вера в сотворение убивает научные исследования, именно моя убежденность в том, что камера жуков была спроектирована, привела меня к этим исследованиям!

Было ясно, что есть конструктивные особенности, которые нужно понять. И это привело к созданию запатентованной распылительной установки, которая нагревает воду в специальной камере (примерно в 20 раз больше камеры жука-бомбардира), где впускные и выпускные клапаны управляются электронным способом, чтобы открываться и закрываться в заданное время. Мы обнаружили, что, как и в случае с жуком, при определенных настройках клапана спрей может выстреливать на максимальное расстояние, примерно в 200 раз превышающее 2-сантиметровую нагревательную камеру, которую мы использовали, – около четырех метров!

Копирование дизайна жука приносит премию

Рис. 6. Экспериментальный прототип для распыления мелких капель жидкости и пара на основе системы жука-бомбардира.

Наша конструкция имеет активную систему управления, не использующую химию, в отличие от пассивной системы жука, которая использует химический нагрев. Однако сама клапанная система очень похожа на ту, что используется жуком, и один из прототипов показан на иллюстрации (см. рис. 6). В 2010 году наша работа получила премию Times Higher Education Award за самый выдающийся вклад в инновации и технологии. Он уже был использован для разработки распылительных систем топливных форсунок в автомобильных и грузовых двигателях. Изобретение активно совершенствуется  для работы в огнетушителе, который может применяться в борьбе с лесными пожарами и имеет большое преимущество в том, что он стреляет паром на значительное расстояние. Пар, смешанный с мелким брызгами воды, особенно эффективен против лесных пожаров, так как он удаляет  кислород вблизи огня. Другие возможные применения — фармацевтические спреи для тех, кто испытывает трудности с вдыханием лекарств, и комнатные ароматизаторы.

Преграда на пути эволюции

Любая реакционная система сгорания должна быть очень тщательно спроектирована, потому что горение опасно! И это явно пример неуменьшаемой сложности, поскольку система сгорания не будет работать, если не будут соблюдены все конструктивные особенности. Это означает, что она не могла эволюционировать шаг за шагом, поскольку частично эволюционировавшая система не давала бы никаких преимуществ — фактически она была бы препятствием для выживания существа и была бы устранена естественным отбором!

Некоторые из оставшихся без ответа вопросов, вытекающих из исследования жука-бомбардира, таковы: «В какой форме находятся катализаторы? Как жук определяет  направление атаки? Как работает подвижная турель (кончик брюшка), которая направляет выбрасываемый пар? Как производятся такие химические вещества как перекись водорода и гидрохинон?»

Однако то, что мы понимаем о взаимозависимости химии жуков, механизма сгорания и системы двойного клапана, указывает на превосходный инженерный дизайн!

Ссылки и примечания

1. Eisner, T. and Aneshansley, D.J., Spray aiming in the bombardier beetle: photographic evidence,  National Academy of Sciences (USA) 96(17):9705–9709, 17 Aug 1999. 
2. Beheshti, N. and McIntosh, A.C., The bombardier beetle and its use of a pressure relief valve system to deliver a periodic pulsed spray, Bioinspiration and Biomimetics (Inst of Physics), 2:57–64, 2007. 
3. McIntosh, A.C., Combustion, fire, and explosion in nature—some biomimetic possibilities, Proc. IMechE Part C:  Mechanical Engineering Science221:1157–1163, 1 Oct 2007. 
4. McIntosh, A.C. and Beheshti, N., Insect inspiration, Physics World 21(4):29–31, 2008. 
5. BBC Life, series 6 ‘Insects’, Martha Holmes, Rupert Barrington, David Attenborough (narrator), 2009.