Новости химической науки > Как работает химическое оружие жука-бомбардира

Для того чтобы отпугнуть хищников, жук-бомбардир выбрасывает из своего химического реактора – особой железы, горячую и раздражающую жидкость. С помощью рентгеновского синхротрона исследователям удалось выяснить детали встроенного химического оружия этого жесткокрылого.

Жук-бомбардир вырабатывает и выбрасывает горячую раздражающую смесь бензохинонов с помощью желез, расположенных в задней части туловища. (Рисунок из Science 2015, DOI: 10.1126/science/1261166)

Железы жука состоят из нескольких элементов, включая камеру-резервуар, камеру-реактор и испускающий канал. В резервуаре содержится водный раствор, содержащий 25% перекиси водорода, 10% п-гидрохинонов и 10% алканов. В камере-реакторе находится смесь ферментов каталазы и пероксидазы.

Принцип действия химического оружия жука сильно напоминает принцип действия бинарного химического боеприпаса – вида химических боеприпасов, снаряжаемых раздельно двумя обычно нетоксичными или малотоксичными компонентами, образующими ОВ при их смешивании. Когда жук принимает оборонительную позицию, жидкость из резервуара перетекает в камеру реактора, в которой ферментативная реакция способствует образованию п-бензохинонов, которые и являются раздражающими компонентами защитной жидкости жука, поскольку реакция экзотермична, жидкость, испускаемая жуком, разогревается; еще одним продуктом реакции является кислород.

В результате разогревания вода испаряется, давление в железах жука увеличивается, и жидкость извергается из выходного отверстия железы. Некоторые представители жуков-бомбардиров способны распылять свое химическое оружие, нагревая его до температуры 100°C, разгоняя струю до скорости 10 метров в секунду и «выплевывая» ее на расстояние в несколько сантиметров.

Тем не менее, до недавнего времени для исследователей оставались загадкой детали того, как жук контролирует свое сложное оборудование. Как отмечает изучающий жуков-бомбардиров, но не принимавший участие в работе специалист по термодинамике из Университета Лидса Эндрю Макинтош (Andrew McIntosh), новая работа является первым примером экспериментального анализа механизма, использующегося жуком. Он добавляет, что результаты нового исследования подтверждают результаты прежних исследований о роли определенных клапанов в работе «химической пушки» жука.

Новый эксперимент был проведен под руководством профессора Кристин Ортиз (Christine Ortiz) из Университета Аризоны. Исследователи первоначально погружали жука во временную спячку, замораживая его и в замороженном состоянии закрепляли его на предметном столе прибора. Когда жук отогревался, он осознавал, что не может двигаться, пугался и выбрасывал горячую и ядовитую струю, а весь этот процесс фиксировался. Исследователям удалось получить рентгеновские изображения испускания жуком струи с разрешением от 30 до 2000 кадров в секунду.

Мышцы камеры-резервуара сокращаются, выдавливая жидкость в камеру-реактор, при этом было обнаружено, что единовременно в реактор передается лишь небольшая порция жидкости – она подается каплями по 5 нанолитров. По мере поступления жидкости в реакционную камеру начинается ферментативная реакция, причем увеличивающееся давление одновременно способствует и разбрызгиванию защитной струи из выходного отверстия железы, и запиранию клапана между резервуаром и реактором. Когда жук практически опустошает свою реакционную камеру, давление понижается, позволяет клапану между резервуаром и реактором раскрыться, вбрасывая в реактор очередную порцию сырья для подготовки «химического боеприпаса», это может повторяться несколько раз или даже несколько десятков циклов. Как говорит Ортиз, механизм работы железы жука очень эффективен.

Источник: Science 2015, DOI: 10.1126/science/1261166

метки статьи: #аналитическая химия, #биохимия, #нанотехнологии