Bombožygio cheminės artilerijos paslaptys [Mokslo populiarinimo konkursas]

Pirmasis mokslo populiarinimo konkurso darbas. Jį atsiuntė VU Chemijos fakulteto Biochemijos specialybės studentas Edvinas Stankūnas, pristatantis mums vabalų bombožygių gynybinius sugebėjimus, ištisą cheminę artileriją. Skaitykite po kirpsniuku, o perskaitę pagalvokite ir sudalyvaukite patys, nes laiko dar – apstu! 

Ž. Verno plunksnos verta kelionė aiškinantis bombožygio cheminės artilerijos paslaptis

Edvinas Stankūnas

edvinas_stankunas_pav-1

Visas gyvybės formas, pradedant mikroskopinėmis, nuokritas skaidančiomis dirvožemio bakterijomis ir baigiant pusantro šimto tonų sveriančiais, planktoniniais vėžiagyviais mintančiais mėlynaisiais banginiais, veikia platus ekologinių veiksnių spektras: aplinkos temperatūra, konkurentų populiacijos tankis geografiniame areale, žmogaus ūkinė veikla ir t.t. Vykstant gamtinei atrankai biosferoje išlieka tik tie organizmai ar jų rūšys, kurie yra geriausiai prisitaikę prie vietinių (erdvėje ir laike) aplinkos sąlygų. Kaip antai, daugiau nei prieš 2 mlrd. metų dėl melsvabakterių deguoninės fotosintezės didėjant molekulinio deguonies koncentracijai Žemės atmosferoje įvyko vienas pirmųjų masinių išnykimų mūsų planetos istorijoje, pražudęs dalį anaerobinių mikroorganizmų. Gamtoje kova už būvį yra nuolatinė gyvųjų organizmų būsena, o viena įdomiausių jos formų – evoliucinės ginklavimosi varžybos, primenančios XX a. antrosios pusės geopolitinę konfrontaciją.

Vienos iš ginklavimosi varžybų, kurių eiga kelia vis daugiau nerimo, vyksta tarp žmonių, siekiančių sukurti ar atrasti naujos kartos antibiotikus, ir ligas sukeliančių patogeninių bakterijų. Neatsakingas, o kai kuriais atvejais ir perteklinis antibiotikų vartojimas sukelia aplinkos spaudimą mikroorganizmams, dėl kurio bakterijos per sąlyginai trumpą laiko tarpą įgyja atsparumą naujiems cheminiams junginiams ir tokiu būdu „nuginkluoja“ žmoniją. Gamtoje evoliucinės ginklavimosi varžybos tarp aukštesniųjų, daugialąsčių organizmų vyksta kur kas platesnėje laiko skalėje – anatominių prisitaikymų prie kintančių aplinkos sąlygų atsiradimas neįvyksta per dešimt ar dvidešimt metų – tam prireikia dešimčių ar net šimtų tūkstančių metų. Bombožygių (lot. Brachinini) genčiai priklausančių vabalų apsaugos nuo grobuonių priemonė – vienas įstabiausių evoliucinių ginklavimosi varžybų rezultatų.

1840 m. Londone išleistoje anglų entomologo, Oksfordo universiteto profesoriaus Dž. O. Vestvudo knygoje, skirtoje vabzdžių klasifikacijai, detaliai aprašytas anglų keliautojo ir gamtininko V. Dž. Barčelo atsiminimas iš ekspedicijos į Pietų Ameriką. Nakčiai apsistojęs didelės Pietų Amerikos upės pakrantėje, Barčelas, lydimas jauno tarno, išsiruošė paieškoti geresnės vietos naktiniam žvaigždžių stebėjimui. Keliaujant jų dėmesį atkreipė didelis skaičius bombožygių, o ėmus juos plikomis rankomis gaudyti vabzdžių kolekcijai, Barčelas ir jo tarnas buvo apdeginti šių vabalų išskyrų, o žymės ant odos, kaip rašoma Vestvudo knygoje, liko „ilgam laikui“. Pirmą kartą išvydęs vabzdžių išskiriamus garų debesėlius, jaunasis tarnas iš nuostabos sušuko: „O! Pone, jie leidžia dūmus!

Bombožygiai, pajutę jiems gresiantį pavojų, iš pilvelio gale esančios angos lyg iš vandens patrankos vamzdžio plėšrūno kryptimi, apie 10 m/s greičiu, pliūpsniais iššvirkščia vandeninį dirginančių cheminių medžiagų tirpalą, kurio temperatūra gali siekti net 100°C! Nepaisant fakto, jog tokia neįprasta bombožygių apsaugos nuo plėšrūnų priemonė pirmą kartą Stokholmo mokslo akademijos leidinyje paminėta dar 1750 m., tik XX a. antrojoje pusėje nustatyta vabalo viduje vykstanti sprogstamoji cheminė reakcija. Be to, tik prieš metus paaiškinta srovės pulsavimo priežastis, kuomet mokslininkų iš Masačiusetso technologijų instituto grupė publikavo straipsnį prestižiniame mokslo žurnale Science. Panašu, jog šimtmečių kelionė į bombožygio vidų aiškinantis neįprastos, artilerinės gynybos paslaptis verta Žiulio Verno romano.

Bombožygis karšta cheminių medžiagų čiurkšle ginasi nuo vabzdžio maldininko. Šaltinis: Smithsonian Institution.

Bombožygio pilvelio užpakalinėje dalyje išsidėsčiusi porinė liaukų sistema, sudaryta iš liaukinių skilčių, surenkamojo vamzdelio, rezervuaro ir reakcijos kameros. Liaukinių skilčių ląstelės gamina ir į mikroskopinius kanalėlius išskiria vandenilio peroksido ir hidrochinonų mišinį. Vandeninis šių junginių tirpalas surenkamuoju vamzdeliu, kuris susipynęs su vabalo kvėpavimo sistemai priklausančiomis trachėjomis ir šalinimo sistemai priklausančiais Malpigijaus vamzdeliais, patenka į rezervuarą, išoriškai panašų į kalvio dumples. Rezervuaras atlieka cheminių medžiagų saugyklos vaidmenį. Nustatyta, jog bombožygio rezervuare kaupiamas 25% vandenilio peroksido ir 10% hidrochinonų mišinys. Palyginimui, vaistinėse žaizdoms dezinfekuoti dažniausiai parduodamas 3% vandenilio peroksido tirpalas.


edvinas_stankunas_pav-3

edvinas_stankunas_pav-2

Rezervuarą nuo reakcijos kameros skiria vienpusio pralaidumo vožtuvas, kurio atsidarymą ir užsidarymą valdo raumeninis audinys. Raumeninės skaidulos taip pat juosia „dumples“. Kuomet bombožygis pajunta jam gresiantį pavojų, elektrinės prigimties signalas neuronais pasiekia raumenines ląsteles ir sukelia jų susitraukimą. Susitraukus rezervuarą dengiančios raumeninėms skaiduloms skystis per vožtuvą išstumiamas į piltuvo formos reakcijos kamerą, kurioje įvyksta sprogimas. Reakcijos kameros sienelė sudaryta iš kutikulės – tvirto chitino, baltymų ir vaško kompozito, kuris užtikrina, jog kamera atlaikys jos viduje susidariusį slėgį, o sprogimo metu nebus pažeisti bombožygio vidaus organai. Sprogstamosios cheminės reakcijos metu išsiskiria šiluma, reakcijos kameroje susidaręs deguonis ir vandens garai sukelia sąlyginai didelį slėgį į kameros sieneles – bombožygis iš pilvelio angos išpurškia karštą dirginančių medžiagų (p-benzochinonų) mišinį. Be to, čiurkšlę palydi charakteringi garsiniai pokštelėjimai.

Natūraliai kyla klausimas, kodėl reakcijos mišinys gali būti paromis saugiai laikomas rezervuare, tačiau patekęs į reakcijos kamerą tuojau pat sprogsta ir virsta reakcijos produktais, kuriuos bombožygis panaudoja kaip apsaugos priemonę. Buvo nustatyta, jog šilumą atpalaiduojančią vandenilio peroksido skilimo reakciją kameroje greitina savitasis biologinis katalizatorius – fermentas katalazė. Tas pats fermentas yra atsakingas už medicininio vandenilio peroksido tirpalo putojimą dezinfekuojant žaizdas. Katalazę sintetina ir į reakcijos kamerą išskiria specializuotos ląstelės, dengiančios vidinį kameros paviršių. Žinoma, jog katalazė per vieną sekundę gali pagreitinti iki 40 mln. vandenilio peroksido molekulių skilimą į vandens ir deguonies molekules! Reakcijos metu išsiskyręs deguonis oksiduoja hidrochinoną iki dirginančiomis savybės pasižyminčio p-benzochinono, kuris kartu su vandens garais iššvirkščiamas plėšrūno kryptimi.

edvinas_stankunas_pav-4

Nariuotakojo apsaugos sistema nebūtų veiksminga, jei čiurkšlė skrietų atsitiktine kryptimi. Žinoma, jog bombožygio pilvelio viršūnėlė pasižymi dideliu judrumu, o prie pat egzoskeleto paviršiaus išėjimo kanalo sienelė suformuoja chitino darinį – reflektoriaus plokšteles, nuo kurių atsimuša iš reakcijos kameros išėjęs skysčio lašelių ir garų mišinys. Susitraukiant raumenims gali būti keičiama šių plokštelių padėtis erdvėje, o kartu ir čiurkšlės skriejimo trajektorija. Tokia taikymosi sistema bombožygiams padeda apsisaugoti nuo nepageidaujamų vabzdžių, dažniausiai skruzdėlių.

Gydytojas, Apšvietos epochos prancūzų materializmo mokyklos atstovas Žiuljenas Ofrė de Lametri savo traktate „L’homme Machine“ gyvūnus, įskaitant ir žmogų, lygino su ypač sudėtingomis mašinomis, kurios pačios užsuka savo spyruokles. Šiuo metu žinome, jog gyvybė yra fizikocheminis reiškinys, o gyvuosiuose organizmuose vykstančius procesus valdo tokie patys dėsniai, kokie veikia ir negyvojoje gamtoje. Bombožygis yra puikus to pavyzdys: nesudėtingais mechanikos, idealiųjų dujų, termodinamikos dėsniais bei cheminių reakcijų katalizės principais galima paaiškinti neįprastą gamtos reiškinį. Panašu, jog Ž. O. de Lametri neklydo.

Literatūra:

1. Di Giulio, A., Muzzi, M. & Romani, R. Functional anatomy of the explosive defensive system of bombardier beetles (Coleoptera, Carabidae, Brachininae). Arthropod Struct. Dev. 44, 468–490 (2015).

2. Arndt, E. M., Moore, W., Lee, W. & Ortiz, C. Mechanistic origins of bombardier beetle (Brachinini) explosion-induced defensive spray pulsation. Science. 348, 563–567 (2015).

3. Eisner, T. et al. Spray mechanism of the most primitive bombardier beetle (Metrius contractus). J. Exp. Biol. 203, 1265–1275 (2000).

4. Eisner, T. & Aneshansley, D. J. Spray aiming in the bombardier beetle: photographic evidence. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 96, 9705–9 (1999).

5. Dean, J., Aneshansley, D. J., Edgerton, H. E. & Eisner, T. Defensive spray of the bombardier beetle: a biological pulse jet. Science 248, 1219–21 (1990).

6. Westwood, J. O. An introduction to the modern classification of insects. Longman, Orme, Brown, Green, and Longmans, London (1839).

7. Julien Offray de La Mettrie. L’Homme Machine (1748).

4 comments

  1. Liuks straipsnis, labai įdomu. Nesu apie tai girdėjęs, na, bent jau iš cheminės pusės. Gerai, kad ir filmukas įdėtas, labai aiškiai iliustruoja tokio ginklo efektyvumą. Kaip suprantu Lietuvoj tokie vabalai dar nebuvo atrasti, nors gali būti, kad gyvena.
    Ai, mažas mažas patikslinimas, Brachinini yra ne gentis, o triba (gentis yra genus, šiuo atveju Brachinus).

  2. Sveikinu pirmą ir drąsiausią! O dabar biški pagyrų, kritikos ir šiaip nuomonės :).

    Pati istorija – labai smagi, ir istorinis ekskursas, ir mechanizmo paaiškinimas. Tačiau įvadas silpnas ir dirbtinai išpūstas. Ko tikrai jokiu būdu negalima – tai pradėti populiarinimo straipsnio triaukščiu painiu sakiniu. Siekiant papasakoti apie bombožygį, absoliučiai nebūtina įsibegėti nuo biosferos pakraščio ir blaškytis pakeliui tarp tiesiogiai nesusijusių pavyzdžių. Klausimų bei priekaištų toks įvadas sukelia daugiau, nei atneša naudos. Akcentuota evoliucija ir ginklavimosi varžybos – kur jos tolesniame tekste? Kur tokio įstabaus apsaugos mechanizmo evoliucija, kokia priešingos pusės „amunicija“ tas ginklavimosi varžybas skatino?
    Pabaigoje prisegta smagi pastraipa apie mechanistinę gyvybės teoriją, bet deja atrodo ji būtent kaip „prisegta“, nes autorių mokė, jog tekstą reikia užbaigti kažkokia išvada. O tikrai įdomus būtų bent trumpas „mechanistinis“ palyginimas bombožygio apsaugos sistemos su žmogaus sukurtais mechanizmais. Kaip tik gerai papildytų straipsnį vietoj to nuobodaus įvado. Ir žiulverniškumo pridėtų :).

    Bet su bombožygio istoriją, nepaisant šių priekaištų, susipažinti buvo tikrai įdomu!

  3. pirmoje nuotraukoje „bugina“ milcius uzmestas ant Dionaea (musgaudzio) lapo. Just no.
    Tiesa, is kur paimti paveiksliukai? links?cred?
    ee gana nuobodus romanas butu Ziulio Verno apie bombozygio „bomba“, bet kadangi kai kurie tokie ir buvo tai gal ir tinkamas palyginimas.
    Igytas pesimizmas kuzda, jog paskutine straipsnio pastraipa labai primena isversta copypasta?
    Aaaah tvarkingas literaturos sarasas, to reiktu dar nuo mokyklos mokyti, kad pas visus toks butu, tiesa tekste truko nuorodu i lit saltinius ,taciau tai m.populiarinimo straipsniui manau tinka.
    Seip neblogai susiskaite, taciau keli kabliukai kliuva; pvz “ Julien Offray de La Mettrie. L’Homme Machine (1748).“ Paranoja kuzda kad sio dazbo autorius neskaites, o tik skaites vertima ar mates kitame straipsnyje, tai reiktu nuorodos ir i kita saltini? Same goes for Westwood 1839. Tai gal tada apsiriboti nuoroda i saltini kuriame minimi sie?
    Visumoj kaip ir nieko, labai gerai atitinka mokslo populiarinimo savoka, mano akimis.

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *