Uimitorul gândac bombardier
Insecta extraordinară cunoscută sub numele de gândacul bombardier (vezi fig. 1) emite un spray fierbinte pentru a îndepărta orice posibil prădător și, de obicei, câștigă. Spray-ul este un amestec de substanțe chimice caustice, apă fierbinte și abur și este aruncat dintr-o duză specială care poate fi îndreptată în orice direcție!
Gândacii bombardieri (Carabidae brachinini) se găsesc în principal acolo unde este o climă caldă, cum ar fi in unele părți din Asia, Africa, Australia și SUA. Dar sunt prezenți și în Europa, iar mici colonii au fost observate chiar în sudul Angliei. De obicei nu stau departe de apă și se ascund în timpul zilei sub stânci.
Amestecul compus din abur încălzit și substanțe chimice nocive este emis de către gândacul bombardier prin partea sa dorsală (vezi fig. 2), printr-o „turelă” specială care poate fi deplasată în orice direcție (chiar răsucindu-se peste spate și îndreptându-se spre înainte – vezi fig. 3). Întregul sistem este folosit pentru a îndepărta prădătorii, cum ar fi furnicile, păsările, păianjenii și broaștele – de obicei cu succes, uimindu-și astfel adversarul.
Cum reușește să facă acest lucru?
Substanțele chimice nu ies ca într-un flux continuu. Profesorul Tom Eisner, în 1999, co-autor la o lucrare importantă despre gândac, a arătat că este produsă o serie de explozii prin combinarea celor două substanțe chimice, hidrochinonă și peroxid de hidrogen în prezența a doi catalizatori: catalază și peroxidază.1 (Un catalizator face ca reacția să se produca mult mai rapid, dar nu este consumat în reacție.
Într-un experiment inteligent, Eisner a filmat un gândac bombardier African, apoi a redat filmarea în slow-motion. Prin asta s-a arătat că au fost aproximativ 500 de explozii pe secundă și că, asemenea unei mitraliere care trage în rafale repetate, acestea au fost emise în scurte rafale a câte 2-3 secunde fiecare. Gândacul poate face acest lucru în mod repetat, uneori de 4-5 ori înainte ca sistemul chimic să se epuizeze, deși, chiar și așa, dureaza doar câteva minute pentru a se reface.
Inspirat de gândac, mi-am dat seama că era vorba aici de descoperirea unui design inteligent. În discuțiile cu Eisner, am început lucrul la Universitatea Leeds (Marea Britanie). Am arătat că aceste explozii au fost controlate de un sistem unic de supape, unde presiunea ridicată determină închiderea unei supape de intrare și deschiderea unei supape de ieșire (vezi fig. 4). Acest lucru duce la o explozie violentă de vapori (evaporare rapidă) în care aproape instantaneu o proporție substanțială din lichid (în mare parte apă) se extinde prin abur.
O anumită masă de abur ocupă de aproximativ 1.600 de ori volumul aceleiași mase de apă, astfel încât această ejecție are o forță atât de mare încât transportă cu ea și o mare parte din apa rămasă, împreună cu substanțele chimice caustice. S-a dovedit că pulverizarea atinge aproximativ 20 cm – adică de aproximativ 200 de ori lungimea micii camere de ardere de 1 mm lungime.2,3,4 (Vezi succesiunile din seriile Life scrise de David Attenborough,5, care arată gândacul bombardier respingând cu succes atacul unei furnici.)
Minuscula cameră de ardere
Disecțiile capătului posterior al gândacului au arătat mult mai multe detalii despre sistemul său sofisticat de apărare chimică. Înainte ca cele două substanțe chimice să reacționeze, ele se deplasează împreună pe un tub foarte subțire, unde sunt secretați catalizatorii, sau, se află eventual sub formă cristalină.
Catalizatorii catalază și peroxidază acționează asupra peroxidului de hidrogen și a hidrochinonei. Peroxidul de hidrogen se transformă apoi în apă / abur, eliberând astfel un atom de oxigen pentru fiecare moleculă de peroxid și acesta se combină apoi cu moleculele de hidrogen eliberate din hidrochinonă. Căldura din reacția puternică de hidrogen / oxigen face ca restul substanțelor chimice să reacționeze, iar aburul în expansiune provoacă o explozie de vapori.
Sistemul de supape este un sistem de răspuns pasiv, astfel încât supapele sunt acționate prin schimbări de presiune. Când camera de ardere este goală (vezi fig. 4, panoul din stânga) și la presiunea atmosferică, tubul de intrare este deschis permițând reactanților să intre în cameră, iar tubul de ieșire este închis de o membrană care blochează partea inferioară a tubului. Odată ce camera de ardere este plină și substanțele chimice reacționează (vezi fig. 4 din mijloc) extremitățile camerei în sine, care are forma unei mănuși de box, strânge tubul de intrare închis. Pe măsură ce reacția chimică din cameră progresează, se generează căldură și presiunea din cameră crește până când membrana este forțată să se deschidă în apropierea părții de jos a tubului de evacuare (vezi fig. 4 dreapta).
Investigațiile inițiale asupra camerei în sine sugerează că structura camerei este din material special rezistent la căldură, astfel încât gândacul să nu se coacă. Ambele tuburi care intră și ies din camera de ardere, precum și camera în sine, sunt complet separate de tractul digestiv al gândacului.
Când lichidul fierbinte este evacuat, presiunea din cameră scade, intrarea se redeschide, permițând mai mulți reactanți în cameră, și procesul se repetă până când toți reactanții au fost epuizați.
Acest proces se numește „combustie prin jet de aer cu impulsuri” și este folosit de unele motoare pentru a da tracțiune (motor cu jet pulsatoriu). Cel mai scandalos exemplu în acest sens a fost bomba zburătoare „Doodlebug” V1 (vezi fig. 5) din al doilea război mondial, folosită de Hitler în 1944 împotriva Londrei și a județelor sudice engleze. În cazul modelului V1, combustibilul era petrolul (benzina) care ardea în aer. Pe vremea aceea, puțini știau că un sistem de ardere similar era deja folosit de gândacul bombardier – nu pentru propulsie, ci pentru pulverizarea atacatorilor săi!
Bioinspirație de la gândacul bombardier
Cercetările care au început la Universitatea din Leeds ne-au permis să dezvoltăm un sistem de pulverizare bazat pe tehnica utilizată de gândac. Contrar afirmației conform căreia încrederea în creaționism pune punct cercetării, tocmai convingerea mea că această cameră de ardere prezentă la tipul acesta de gândac – a fost proiectată, m-a determinat să fac aceste investigații!
Era clar că există caracteristici de proiectare care trebuie înțelese. Și acest lucru a condus la o instalație de pulverizare brevetată care încălzește apa într-o cameră specială (de aproximativ 20 de ori dimensiunea camerei gândacului bombardier) unde supapele de admisie și de ieșire sunt controlate electronic pentru a se deschide și închide la un moment alocat. Am constatat că, la fel ca în cazul gândacului, pentru anumite reglaje ale supapelor, pulverizarea ar putea atinge o distanță maximă de aproximativ 200 de ori camera de încălzire de 2 cm pe care o foloseam – aproximativ patru metri!
Copierea designului gândacului câștigă marele trofeu
Proiectul nostru are un sistem de control activ care nu folosește chimie, spre deosebire de sistemul pasiv al gândacului care folosește încălzirea chimică. Cu toate acestea, sistemul de supape în sine este foarte similar cu cel folosit de gândac și este unul dintre prototipurile afișate (vezi fig. 6). În 2010, munca noastră a câștigat premiul Times Higher Education pentru cea mai remarcabilă contribuție la inovație și tehnologie. A fost deja utilizat pentru dezvoltarea sistemelor de pulverizare pentru injectoarele de combustibil la motoarele auto și camioane. Invenția este dezvoltată în mod activ pentru un stingător care poate face față incendiilor forestiere și are marele avantaj de a arunca aburul la o distanță considerabilă. Aburul cu o pulverizare fină de picături de apă este deosebit de eficient împotriva focului de lemne, deoarece elimină oxigenul din apropierea focului. Alte utilizări posibile sunt pentru spray-urile farmaceutice, pentru cei care au dificultăți în inhalarea medicamentelor, și în cazul deodorantelor de cameră.
Un obstacol pentru evoluție
Orice sistem care implică arderea trebuie să fie proiectat foarte atent, deoarece arderea este periculoasă! Și este în mod clar un exemplu de complexitate ireductibilă, deoarece sistemul de ardere nu va funcționa decât dacă toate caracteristicile de proiectare sunt la locul lor. Ceea ce înseamnă că nu ar fi putut evolua pas cu pas, deoarece un sistem parțial evoluat nu ar oferi niciun avantaj – de fapt ar fi un impediment pentru supraviețuirea creaturii în sine și ar fi eliminat prin selecție naturală!
Câteva dintre întrebările fără răspuns care rezultă din cercetarea gândacului bombardier sunt: În ce formă sunt catalizatorii? Cum simte gândacul direcția atacului? Cum funcționează turela mobilă care direcționează evacuarea? Cum se produc substanțele chimice peroxid de hidrogen și hidrochinonă?
În orice caz, ceea ce înțelegem despre interdependența chimiei gândacului, a mecanismului de ardere și a sistemului cu două supape, indică un design ingineresc divin!
Autor: Andy McIntosh
Sursa: Creation.com | The amazing bombardier beetle
Traducător: Emilia Comoniță
Referințe și note:
[1] Eisner, T. and Aneshansley, D.J., Spray aiming in the bombardier beetle: photographic evidence, Proc. National Academy of Sciences (USA) 96(17):9705–9709, 17 Aug 1999.
[2] Beheshti, N. and McIntosh, A.C., The bombardier beetle and its use of a pressure relief valve system to deliver a periodic pulsed spray, Bioinspiration and Biomimetics (Inst of Physics), 2:57–64, 2007.
[3] McIntosh, A.C., Combustion, fire, and explosion in nature—some biomimetic possibilities, Proc. IMechE Part C: J. Mechanical Engineering Science 221:1157–1163, 1 Oct 2007.
[4] McIntosh, A.C. and Beheshti, N., Insect inspiration, Physics World 21(4):29–31, 2008.
[5] BBC Life, series 6 ‘Insects’, Martha Holmes, Rupert Barrington, David Attenborough (narrator), 2009.
