Исследование раскрывает химию необычайной огневой мощи жука-бомбардира

Если вы хотите увидеть одно из чудес природы, просто напугайте жука-бомбардира. Когда жуки напуганы, они заполняют внутреннюю камеру сложной смесью ароматических химических веществ, запуская каскад химических реакций. Эта реакция детонирует жидкость и выстреливает её из сопла насекомого пульсирующей струёй токсичного, обжигающе горячего пара, подобно пулемётной очереди. Этот взрывной, высоко-давленческий выброс ядовитых химикатов не вредит самому жуку, но может окрашивать и раздражать кожу человека, а более мелких врагов — убивать на месте.

Теперь исследователи из Технологического института Стивенса в Хобокене, Нью-Джерси, показали, как жук-бомбардир создаёт свои смертоносные взрывчатые вещества, и в процессе выяснили, как эволюция породила эту замечательную огневую мощь.

«Мы впервые объясняем, как эти невероятные жуки биосинтезируют химические вещества для создания топлива для своих взрывов», — сказал Атула Аттигалле, ведущий автор работы, опубликованной в июльском номере 2020 года журнала Science of Nature.

Чтобы проследить работу внутренней химической лаборатории жука, Аттигалле и его коллеги использовали дейтерий — редкий изотоп водорода — для мечения специально синтезированных химических смесей. Команда либо вводила меченые дейтерием химические вещества во внутренние жидкости жуков, либо смешивала их с кормом для собак и скармливала жукам в течение нескольких дней.

Команда Аттигалле усыпляла жуков, помещая их в морозильник, а затем аккуратно дёргала за их ноги, провоцируя сонных насекомых на выброс защитной струи на специально размещённые фильтровальные бумаги. Некоторых жуков также препарировали, перевязывая человеческими волосами крошечные протоки, связывающие их химические резервуары и реакционные камеры, и отбирая пробы исходных химикатов.

С помощью масс-спектрометров Аттигалле проверил образцы на наличие меченых дейтерием продуктов, что позволило точно определить, какие химические вещества жуки включили в свои «наборы для изготовления бомб». «Оказывается, биохимия жуков даже сложнее, чем мы думали».

Ранее исследователи предполагали, что два токсичных, похожих на бензол химических вещества — бензохиноны, — обнаруженные в спрее жуков, метаболизируются из гидрохинона. Команда из Стивенса показала, что на самом деле только один из бензохинонов жука происходит из гидрохинона, а другой возникает из совершенно отдельного предшественника: м-крезола, токсина, содержащегося в каменноугольной смоле.

Интересно, что жуки могут безопасно метаболизировать такие токсичные химические вещества, отметил Аттигалле. В будущих исследованиях он надеется проследить химическую цепочку поставок жуков дальше, чтобы узнать, как предшественники биосинтезируются из природных веществ.

Результаты команды также показывают, что взрывчатые вещества жуков полагаются на химические пути, обнаруженные у многих других ползающих существ. Другие животные, такие как многоножки, также используют бензохиноны для отпугивания хищников, хотя и не обладают способностью бомбардира детонировать свои химические защиты. Эволюционно далёкие существа, такие как пауки и многоножки, используют похожие стратегии, что предполагает независимую эволюцию способов биосинтеза этих химических веществ у множества организмов.

«Изучая сходства и различия в химии жуков, мы можем яснее увидеть, как они и другие виды вписываются в эволюционное древо», — объяснил Аттигалле.