Как стреляет жук-бомбардир

жукОгромный жук, похожий на жужелицу размером с танк, выползает из земли, направляет брюхо в небо, тужится, раз­дувается и вдруг выпускает светящуюся каплю, которая устремляется в космос и сбивает космический корабль. Так авторы фильма «Десант», поставлен­ного по одноименной повести Роберта Хайнлайна, изобразили один из эпизо­дов конфликта между биологической цивилизацией арахноидов и земляна­ми. Насколько правдоподобно такое биологическое оружие? Ответить на этот вопрос позволяет исследование новозеландских математиков во главе с Алексом Джеймсом из Биоматематического центра Кентерберийского университета в Крайст-Чёрче. Они построили математическую модель жука-бомбардира и выяснили, как ре­жим его стрельбы связан со строением соответствующих боевых органов.

Жук-бомбардир — общее название для насекомых разных видов, умеющих стрелять по врагу горячей субстанцией, которую они выбрасывают из кончика брюшка. Одни жуки выпускают горячую струю, другие стреляют очередями капель, третьи распыляют вокруг себя туман, четвертые покрываются жгучей пеной. В общем, хищник, желающий полакомиться таким жуком, получает в лучшем случае неприятные эмоции, а в худшем — ожог, поскольку жук может нагреть свой снаряд чуть ли не выше температуры кипения воды. Впрочем, эта особенность была замечена лишь однажды, а систематические изме­рения температуры снарядов жуков- бомбардиров показали, что ее макси­мальная величина равна 81оС, однако у некоторых видов остается в пределах всего лишь 34—47оС.

Различия и в температуре, и в види­мом проявлении жучиного обстрела заставили энтомологов предположить, что этот механизм развивался неза­висимо у разных групп насекомых. И тем не менее он получился схожим. В его основе лежит химическая реакция между водородом и кислородом, при которой выделяется много тепла. Сы­рьем же для реакции служат перекись водорода Н2О2 и гидрохинон С6Н6О2, вы­рабатываемые соответствующей желе­зой. По протоку эти вещества поступают из железы в реакционную камеру, длина которой может достигать трети тела жука. На стенках камеры расположены ферменты; они отщепляют от перекиси кислород, превращая ее в воду, а от гидрохинона — водород, переводя его в бензохинон C6H4O2.

Общее выражение всей реакции вы­глядит так: H2O2 + nC6H6O2  (1+n)H2O + (1-n)02 + nC6H4O2, где n — молярное соотношение перекиси и гидрохинона.

И само каталитическое разложение перекиси, и реакция водорода с кисло­родом дают много тепла. Оно нагревает жидкость, находящуюся в камере, пре­вращая часть воды в пар. Кроме того, некоторое количество кислорода может оказаться неизрасходованным — это определяется производительностью желез жука, а также растворимостью гидрохинона в смеси воды с перекисью. Оба газа — пар и кислород — создают давление. Оно может сначала пере­крыть проток железы, по которому в камеру поступают химикаты, а потом открыть выпускной клапан и отправить нагретую жидкость в нос неприятелю. Созданная новозеландцами модель и позволяет изучить весь этот химический процесс.

Как оказалось, внутренний реактор жука-бомбардира способен работать в четырех режимах, переход между которыми зависит от диаметра протока железы и закрывающего его давления. Если и диаметр, и закрывающее давле­ние малы, реагент поступает со столь малой скоростью, что ни нагреть жид­кость, ни тем более создать давление не получается. Математическая модель при этом режиме никакого обстрела не дает, а вопрос о том, существуют ли такие жуки в природе и что происходит с реакционной жидкостью у них, выходит за ее пределы.

Следующий режим, циклический, устанавливается либо при малых значениях диаметра канала, либо при малом закрывающем его давления, однако здесь во время поступления компонентов смеси в камеру идет до­статочно интенсивная реакция, чтобы давление возрастало и происходил выброс вещества. С каждым выбросом температура оставшейся жидкости повышается, реакция начинается все раньше, и в какой-то момент поток реа­гентов становится слишком слабым для поддержания необходимого давления. Оно падает, и процесс бомбардировки на некоторое время прекращается. Частота периодов — 200 раз в секунду, а внутри каждого периода циклы вы­бросов следуют с частотой 2000 раз в секунду. Получается, если посмотреть на процесс с сильным замедлением, артобстрел с перерывами; невоору­женным глазом таких деталей разо­брать не удастся. При этом достигается самая высокая температура жидкости — до 80оС. Здесь же расчет дает и наибольшую скорость вылетающей струи — 54 км/ч. Некоторые экспери­ментаторы, впрочем, находили жуков-рекордсменов, которые выбрасывали свои снаряды со скоростью в два раза большей. Такой пульсирующий режим характерен для крупных насекомых с большим диаметром протока и ма­лым закрывающим его давлением. Во всяком случае, расчетные колебания давления выпускаемой жидкости ка­чественно совпали с эксперименталь­ными, когда крупный, до 2 см длиной, жук-бомбардир вида Stenaptus insignus стрелял в пьезоэлектрическую пласти­ну, которая быстро фиксировала серии ударов, перемежающихся паузами.

железаЖелеза жука-бомбардира

Непрерывный цикл получается, если реагентов хватает для поддержания необходимого давления. Тогда они поступают до тех пор, пока возрастаю­щее давление не перекроет впускной клапан. Химическая реакция продол­жается, давление растет, достигает критического значения, открывается выпускной клапан, и из жука вылетает очередной заряд, после чего процесс повторяется сначала. Частота бомбар­дировки при этом достигает тысячи раз в секунду, температура же падает до 35—70оС.

Четвертый режим реализуется, когда поток реагентов из железы не перекры­вается вообще. Возникшее однажды давление непрерывно выталкивает струю жидкости, в которой компоненты не успевают до конца прореагировать друг с другом. Поэтому температура струи невелика, около 30оС, но зато в ней высоко содержание непрореа­гировавших компонентов, в первую очередь едкой перекиси водорода. При этом противник получает не тепловой, а химический ожог, однако жука и такой вариант устраивает.

Так исследование новозеландских ученых подводит читателя к мысли, что многообразие действий жуков-бомбардиров определяется небольшим разли­чием их внутреннего строения, поэтому все они вполне могли произойти от общего предка, впервые открывшего способ обстрела противника горячими едкими жидкостями.

Это отнюдь не первая модель жука, однако предыдущие были несовер­шенны, не учитывали химизм реакции и полагались исключительно на нагрев воды и образование пара как главного средства поднять давление в камере. Новая же модель показала, что необя­зательно нагревать воду до высокой температуры: для повышения давления в камере жуку вполне достаточно вы­работать перекись водорода и получить из нее много газообразного кислорода. Поскольку на разложении перекиси работают даже некоторые реактив­ные двигатели, прямого запрета на создание этим методом давления, до­статочного для выброса снаряда на око­лопланетную орбиту, не видно. (Если, конечно, не принимать во внимание прочность материалов, составляющих тело гипотетического жука, и саму воз­можность существования насекомых размером в десяток метров.) Поэтому создатели фильма «Десант» не сильно погрешили против истины. Можно себе даже представить, как взрывается этот снаряд: если в выбрасываемой капле жидкости некоторое время сохраняется много непрореагировавших кислорода и водорода, то по мере ее расширения в безвоздушном пространстве и соответственно падения объемной концен­трации может быть преодолен верхний порог воспламенения. Тогда получится гремучая смесь, которая легко взорвет­ся при соприкосновении с космическим кораблем.

Нам, людям, с нашей технологи­ческой цивилизацией нет нужды за­ниматься генетической инженерией жуков-бомбардиров на страх веро­ятному противнику — в настоящих звездных войнах предполагается ис­пользование мощных лазеров, ракет и роботов. И все-таки жуков мы ис­следуем не только потому, что это интересно, но и ради практических выгод с использованием принципов бионики. Так, предыдущая математи­ческая модель этого жука, построенная в 2007 году Новидом Бехешти и Энди Макинтошем из Лидского университета, в которой все заканчивалось просто нагревом воды, оказалась очень полез­ной. Ее авторы, перейдя от программы к металлу, создали двухсантиметровое устройство, которое нагревало воду с помощью электричества, а затем выбрасывало ее на 4 метра. На этом устройстве отработали технологию, названную mMist, и в 2008 году пред­ложили применить ее для огнетуши­телей, медицинских ингаляторов и систем впрыска топлива в двигателях внутреннего сгорания. Кто знает, какие приложения найдет новая модель, по­казавшая, что нагрев можно заменить химической реакцией, проходящей с образованием газообразных продуктов.

С.Анофелес

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>