Жук-бомбардир использует простую механику для «стрельбы»

«Один крошечный Жук-Бомбардир идет себе по земле, никуда не прячется. Догнал его Щенок, хотел схватить, а Жук-Бомбардир остановился да как пальнет в него летучей едкой струйкой — прямо в нос попал. Взвизгнул Щенок, хвост поджал, повернулся — да через луг, да в подворотню. Забился в конуру и нос высунуть боится.» Защита жука-бомбардира действительно эффективна так, как описано в рассказе В. Бианки «Первая охота». Но вот как же она работает — становится ясно только теперь. Рисунок с сайта osminojek.ru

Американские ученые изучили детали морфологии анальных желез жука-бомбардира, известного своим изощренным способом защиты от врагов — выстреливать в них струей кипящей ядовитой жидкости. Более того, ученым удалось заснять работу анальных желез во время защитного выстрела. Все это позволило разобраться с тем, как работает и контролируется взрывной механизм жука. Как выяснилось, в данном случае срабатывает относительно простая механика, основанная на эластичных свойствах тканей анальных желез. Регуляция выстрелов осуществляется за счет разницы давлений внутри и снаружи реакционной емкости. Это исследование помогает понять, как даже столь сложный признак мог сложиться в ходе постепенных эволюционных преобразований.

Жуки-бомбардиры, как хорошо известно, используют весьма эффективный и исключительно изощренный способ защиты. Они выстреливают в противника горячей струей ядовитой жидкости — производного гидрохинона. Использованием ядов в мире животных, и тем более насекомых, никого не удивишь. Но вот артобстрел горячим паром — это уже редкая технология. Тут нужно не просто привести в действие необходимые химические реакции, но и организовать безопасную для жука химическую лабораторию. «Безопасную» — означает в данном случае такую, в которой риск взорваться самому «химику» был бы минимальным. Химические реакции, которые происходят при взрыве бомбардира, хорошо известны, их уже расшифровали к середине ХХ века.

А вот как у жука действует взрывной механизм, ученые понимали весьма приблизительно. У жука имеются специальные железы, которые вырабатывают гидрохинон, накапливая его в резервуарах вместе с перекисью водорода. В опасный момент открывается клапан в специальную реакционную камеру, укрепленную толстым слоем армированного белками хитина (рис. 1).

Рис. 1. Схема работы анальных желез жука-бомбардира. Схема из обсуждаемой статьи в Science

В этой камере имеются ферменты, расщепляющие перекись и переводящие гидрохинон в бензохинон. Эти реакции экзотермические: смесь мгновенно нагревается, вода закипает, пары вырываются через специальный канал наружу. Клапаны, перекрывающие проток из резервуара, снова открываются, и реагенты вновь заполняют реакционную камеру — происходит следующий взрыв. Многие виды бомбардиров выпускают очередь таких ядовитых выстрелов. Как работают клапаны и как регулируется подача реагентов, пока не известно. Между тем этот вопрос напрямую связан с проблемой происхождения этого сложно устроенного признака — организации защитных взрывов.

Энтомологи и химики под руководством Кристины Ортиз (Christine Ortiz) из Массачусетского технологического института исследовали в деталях строение «химической пушки» жука-бомбардира (рис. 2).

Рис. 2. Жук-бомбардир (Brachinus elongatulus) и строение его защитных желез (нижнее фото). Голубым цветом показаны эластичные ткани, склеротинизированные толстые оболочки окрашены охристым оттенком. Верхняя голубая часть — резервуары (показано только соединение с реакционными камерами). Белая стрелка — растяжимая верхняя центральная покрышка камеры, фиолетовая стрелка — эластичное соединение реакционной камеры и выходного канала, желтая стрелка — мембрана выходного канала. Фото из обсуждаемой статьи в Science

Рис. 3. Анимация защитного выстрела жука-бомбардира. Из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science

Они обнаружили систему клапанов и эластичных элементов, встроенных в реакционную камеру. Эти элементы хорошо видны: они отличаются по цвету и строению от толстых и жестких стенок камеры. Так, особый гибкий клапан открывает вход в камеру из резервуаров, а при увеличении давления в камере очень надежно прилегает к стенке входа, не позволяя нагретой смеси устремиться обратно в резервуар. Другие гибкие части встроены в верхнюю область реакционной камеры. При увеличении давления изнутри эта область раздувается, образуя эллипсоидные поверхности. Соответственно, объем внутренней полости вокруг камеры сжимается, так что давление и там тоже возрастает. В определенный момент, пройдя точку равновесия, давление снаружи становится больше давления внутри камеры. Тогда газообразное содержимое внутренней камеры раскрывает эластичный выходной клапан и под давлением вырывается наружу. Эта система эластичных поверхностей служит своеобразным предохранителем, не позволяя смеси реагентов взрываться внутри тела жука.

Тонкие морфологические исследования были подтверждены прямыми наблюдениями. Ученым удалось заснять вживую динамику движения резервуаров и камер во время защитной очереди взрывов. Это было сделано с помощью синхротронной рентгеновской съемки (X ray computed tomography), которая проводилась в Брукхейвенской Национальной лаборатории. На анимации (см. рис. 3 и раскадровку на рис. 4) можно проследить, как изменяются форма и объемы камер, с какой скоростью происходит выпуск горячих паров. По форме реакционных камер специалисты раccчитали их объем, давление газов, скорости взрывов. Эти расчеты подтвердили, что механика защитной «очереди» строится целиком на разнице давлений внутри и снаружи реакционных камер. Это пассивный процесс, не требующий тонкой регуляции мышечных движений, управляющих клапанами. Достаточно открыть клапан один раз, а далее очередь будет продолжаться, пока не закончится накопленный запас исходных реагентов. Впрочем, ученые вполне допускают более тонкое управление скоростью и количеством выстрелов, но в принципе это не обязательная часть программы.

Рис. 4. Серия последовательных кадров, демонстрирующих изменение формы и объема реакционных камер (правой и левой) за счет растяжения эластичных элементов. RXC — реакционная камера, EC — выходной канал. Стрелки (кадры 15 и 18) показывают моменты наибольшего растяжения. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Это исследование показало, что ключевым этапом в формировании этого сложного признака было образование эластичных элементов в реакционных камерах. Можно предположить, что их обустройство происходило параллельно с перемещением химических процессов внутрь тела жука. Сделать покровы тела тоньше или толще — с этой задачей членистоногие справляются исключительно легко, для этого у них имеются все необходимые генетические регуляторы. Ведь не имея налаженной системы преобразования скелетных элементов, членистоногие не смогли бы существовать в своих твердых хитиновых скелетах.

Читатели, возможно, знакомы с многочисленными отсылками креационистов к жукам-бомбардирам как к доказательству работы Высшего Разума. Действительно, трудно представить, что столь отлаженная и опасная химическая лаборатория могла образоваться путем мельчайших последовательных преобразований. Но разнообразие артиллерийских приемов у многочисленных видов жуков-бомбардиров дает представление о возможных этапах этого процесса. Проведенное исследование конкретизирует его: стало ясно, что эволюционные изменения были нацелены на совершенствование структуры стенок и клапанов реакционной камеры.

Источник: E. M. Arndt, W. Moore, W.-K. Lee, C. Ortiz. Mechanistic origins of bombardier beetle (Brachinini) explosion-induced defensive spray pulsation // Science. 2015. V. 348. P. 563–567.

Елена Наймарк