庞巴迪甲虫如何生产爆炸性化学射流

庞巴迪甲虫喷射称为苯醌的液体，它们过热并排出强烈的脉动喷射。甲虫使用的爆炸机制产生的喷雾器比使用液体的其他昆虫更热，并将喷射速度快五倍。

一个新出版的研究表格MIT揭示了庞巴迪甲虫过热液体，并以强烈的脉动射流驱逐为防御机制。

除南极洲之外的每个大陆存在的庞巴迪甲虫有一个非常简单的生活。几乎没有其他动物捕食他们，因为一个特别有效的防御机制：当受到干扰或攻击时，甲虫在腹部产生内部化学爆炸，然后驱逐沸腾的射流，刺激其攻击者。

研究人员已经被半英寸甲虫的能力困惑，在避免任何物理损坏时都会产生这种有毒的喷雾。但是，由于在MIT，亚利桑那大学的团队和布鲁克霍世国家实验室的队伍的研究，康宁已经解决了。该研究结果本周发表于本周学报，由MIT研究生Eric Arndt，材料科学与工程教授Christine Ortiz，Wah-Keat Lee，Brookhaven国家实验室，以及亚利桑那大学的Wendy Moore。

“他们的防守机制非常有效，”arndt说，使庞巴迪甲虫“无懈可击的大多数脊椎动物，无脊椎动物” - 除了一些非常专业的捕食者，这对毒品喷雾产生了对策。

艾尔表示，这些甲虫喷射的液体被称为苯醌，实际上是昆虫中相当常见的防御药。但庞巴迪甲虫的能力是独一无二的，他们能够过热液体并以强烈的脉动喷射驱逐它。

关键是它们在使用时在使用中合成化学品，在其后躯处将两个化学前体混合在保护室中。随着材料结合形成刺激物，它们也会产生强烈的热量，使液体几乎达到沸点 - 并且在该过程中产生将其排出在喷射器中所需的压力。

了解Bombardier甲虫如何引爆身体的小爆炸，以产生烫伤防御性喷雾。视频：梅兰妮·戈尼克（Melanie Gonick）/麻省理工学院

看到生活甲虫内部

“几十年来，庞巴迪甲虫如何实现喷射脉动作为化学防御的复杂机制，因为先前只使用外部观察，”奥尔兹说。在目前的研究中，研究人员在爆炸期间使用高速同步X射线成像在生活庞巴迪甲虫的腹部内部“见”。他们在Argonne National实验室使用了一个设施来进行实验，并制作了第一次透露过程的详细图像，该过程是如何运作的，相机以每秒2,000帧的速率录制动作。

爆炸的X射线图像揭示了甲虫腹部内蒸气的动态。它们表明喷射脉动由两个内腔之间的通道控制;两个结构控制该过程：柔性膜和阀门。

在保持前体液体和爆炸室的腔室之间的该通道的打开和闭合似乎被动地发生;爆炸过程中的压力增加膨胀，关闭阀门。然后，在喷射液体时释放压力后，膜返回其原始状态并且通道重新开放，允许下一个脉冲形成。这一切都迅速发生 - 更不用说昆虫内部 - 从未提到过的过程从未被直接观察过。

庞巴迪甲虫使用的爆炸机制产生的喷雾不仅比由使用相同的化学刺激物的其他昆虫发出的喷雾剂，而且还将喷射率快五倍以更快地推动。ARNDT说，速度和热量都是使喷雾更有效地对抗潜在的捕食者。

喷雾的脉冲性质可以有助于保护甲虫的反应室的结构，arndt说，允许腔室壁在下一个脉冲之前冷却一点。

了解甲虫生存能力这些激烈的内部爆炸可能有助于设计爆炸保护系统;奥尔兹说，这项研究表明了如何同时实现防御性和保护功能的复杂和专业的生物学设计。例如，反应室具有刚性的增强结构，以最小化爆炸过程中的拉伸和维持温度增加，而其他部件允许控制，可逆的拉伸和运动以控制流体射流。研究人员说，喷雾产生的动态也可以提供在推进系统设计中的信息。

克利夫兰州立大学生物学教授R. Jeffrey Dean，他研究了庞巴迪甲虫的防御机制，说新的工作是他团队首次提出的“精致被动”脉冲喷气式飞机'模型的“精彩确认”。“虽然结果并不意外，但我在技术的进步进步时，我很惊讶，”他补充道。

通过美国陆军研究办公室和国家安全科学和工程学院奖学金和国家科学基金会，能源部和国家安全科学基金会支持这项研究。

出版物：Eric M.Arndt等，“庞巴迪甲虫的机械起源（Brachinini）爆炸引起的防守喷雾脉动，”2015年5月1日科学：卷。 348号。 6234 pp 563-567; DOI：10.1126 / science.1261166

研究报告的PDF副本：庞巴迪甲虫（Brachinini）爆炸诱导防御喷雾脉动的机械渊源

图像：查尔斯希哥克斯