星期四, 17 8月 2023 00:31

奇妙的投弹甲虫

本文摘自《创造》杂志中文版第42卷第2期

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任意转动的化学“炮塔”防御系统:投弹甲虫(Carabidae brachi-nini)主要生活在温暖的气候环境中,例如亚洲、非洲、澳大利亚和美国的部分地区。

有一种称为投弹甲虫的奇妙昆虫(见图1,也称为“射炮步甲”)能喷射出炽热的蒸汽,通常能成功地击退任何捕食者。这种高温蒸汽是腐蚀性化学物质、热蒸汽和水滴的混合物,从其尾部的特殊喷头射出,而且可以向任何方向喷射!
Stenaptinus-insignis
图 1. 非洲投弹甲虫 (Stenaptinus insignis)

而在欧洲,甚至在英格兰南部地区也发现了它们的踪迹。它们通常生活在水源附近,白天躲藏在石头下面。

受投弹甲虫的启发,我发现了一个值得探讨的设计结构

投弹甲虫将混合了有毒化学物的高温蒸汽用一个特殊的喷头从其尾部喷射出来(见图 2),喷头可以向任何方向喷射(甚至可以从后扭转向前喷射,见图3),这种化学武器的作用是攻击蚂蚁、鸟类、蜘蛛和青蛙等天敌,通常都能成功将天敌震慑住。

 

化学武器是如何产生的?

投弹甲虫的化学物质并不是连续喷射的。汤姆·艾斯纳(Tom Eisner)教授在 1999 年发表了一篇开创性的投弹甲虫论文,阐明了其化学武器产生的原理:喷射时所发生的一系列的爆炸是由两种化学物质(过氧化氢和苯二酚)混合,并在两种催化剂的催化作用下发生剧烈的反应(催化剂为过氧化氢酶和过氧化物酶,催化剂的作用是能大大增加化学反应的速率,且在反应过程中不会被消耗)。1 艾斯纳设计了一个巧妙的实验,拍下了一只被拴住的非洲投弹甲虫喷射的过程,然后慢速播放。通过这个方法,他发现喷射过程中每秒大约发生 500次爆炸,并产生类似机关枪快速连射的效果,每次短暂喷射持续 2~3秒。投弹甲虫可以反复喷射,有时多达 4~5 次,才会把化学物质用尽,然后此系统需要休息几分钟才能恢复。

Bombardier beetle spraying an ant attacker
图 2. 投弹甲虫喷射蚂蚁(攻击者)

受投弹甲虫的启发,我发现了一个值得探讨的设计结构,与艾斯纳讨论之后,我在英国利兹大学展开相关的研究,结果表明喷射的爆炸是由独特的阀门系统控制的。甲虫体内的反应腔(或称“燃烧腔”)内发生剧烈的蒸汽爆炸(快速蒸发),在此过程中,大部分液体(主要是 水)几乎瞬间膨胀为蒸汽。蒸汽所产生的高压使腔体夹紧输入管使其关闭,同时输出管的隔膜打开(见图 4 右),因为蒸汽的体积是相同质量的水体积的 1600倍,所以其喷射力很大,蒸汽的射程可达到约 20 厘米,大约是甲虫体内反应腔长度(1 毫米)的 200倍。2、3、4 蒸汽同时携带着少量的水,以及腐蚀性的化学物质(请看大卫·阿滕伯勒的《生命》系列视频 5,其中记录了投弹甲虫成功击退蚂蚁的攻击)。

 

小小的反应腔

投弹甲虫尾部的解剖研究让我们了解到这一精妙的化学防御系统的更多细节。在两种化学物质发生反应之前,它们会一起流经一根非常细的输入管,催化剂可能是在这里分泌出来的,也可能是处于结晶的形式。

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图 3. 投弹甲虫的喷头能向其背部上方进行喷射

然后催化剂(过氧化氢酶和过氧化物酶)催化反应物(过氧化氢和苯二酚)发生剧烈反应,使过氧化氢转变为水和蒸汽,每个过氧化氢分子释放出一个氧原子,然后氧原子与苯二酚释放的氢分子结合。氢和氧强烈的反应所产生的热量使其余的化学物质发生反应,产生快速膨胀的蒸汽并引起蒸汽爆炸。

这个阀门系统是靠被动反应控制的,也就是说其阀门是通过压力变化来控制的。当反应腔是空的(参见上面的图 4 左)且在正常大气压下,反应腔的输入管是打开的,让反应物可以进入反应腔,输出管被反应腔下方的隔膜封闭,处于关闭状态。当反应腔充满了反应物,开始化学反应(见图 4 中),反应腔上方的结构(形状像拳击手套)就会夹紧并关闭输入管,反应继续,产生热量,使腔中的压力随之增加,反应腔下方的隔膜会因压力而打开(参见图4右)。

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图 4. 投弹甲虫的阀门系统图(源自于参考文献4) (click to enlarge)
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图 5. 纳粹德国的V1巡航导弹(绰号为“有翼炸弹”或“飞行炸弹”),由脉冲燃烧的喷气发动机来驱动飞行,与投弹甲虫的喷射方式相似。

对反应腔的初步研究表明,腔体由特殊的耐热材料构成,所以甲虫自身不会被高温的蒸汽烧伤,而且反应腔及其输入和输出的两条管都完全与甲虫的消化道分开。

当炽热的蒸汽和液体喷出后,反应腔内的压力下降,输入管会重新打开,从而让更多的反应物进入腔内,并重复反应和喷射的过程,直到所有的反应物用完为止。

此过程称为“脉冲氧化”(或“脉冲燃烧”),有些发动机也使用类似的方式来产生推力。最臭名昭著的例子是 1944 年二战中希特勒对伦敦和英格兰南部各县进行轰炸所使用的 V1 巡航导弹(见图 5,译注:这是世界上第一款巡航导弹,给英国民众带来了巨大的恐惧和伤亡),这种“有翼炸弹”推动飞行的燃料是能在空气中燃烧的汽油。那时,很少有人知道投弹甲虫早已使用了类似的反应系统——不是为了产生推力,而是为了喷射攻击者。

 

投弹甲虫的仿生学

基于利兹大学对投弹甲虫的研究,我仿照其原理研发出一种喷雾系统。进化论者宣称“相信上帝创造会阻碍科学的研究”,但实际与此相反,正是我坚信投弹甲虫是被设计的才促使我完成了这些研究。

很明显,这里有一些值得探究的设计特征,这启发了我研发一种新型的喷雾装置,还获得了专利。此装置有一个特殊的加热腔室(尺寸大约是投弹甲虫反应腔的 20 倍)用来加热水,并以电子阀门来控制腔室的输入和输出管的开关,使其能在要求的时间打开和关闭阀门。此装置用特定的阀门,射出喷雾的最大射程约为 4 米,大约是 2 厘米长的加热室的 200 倍(与投弹甲虫相似)。

  

模仿投弹甲虫的设计获奖了

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图 6. 仿照投弹甲虫研发的喷雾装置,可以喷射蒸汽和小液滴。

与使用化学物质来加热的投弹甲虫的被动系统相比,我们所设计的主动控制系统虽然没有使用化学物质,但其阀门与投弹甲虫的阀门系统非常相似(见图 6)。这个喷雾系统在 2010 年获得了泰晤士高等教育大奖,以肯定其对创新和技术的杰出贡献。这个设计已被用于研发汽车和卡车发动机的汽油喷雾系统,也被积极地用于灭火器的研发,这种灭火器具有喷射距离远的巨大优势,可以用于扑灭森林火灾——带有细小水滴的喷雾用于扑灭木材火灾特别有效,因为它能阻隔火头附近的氧气。此设计还可用于药物喷雾剂(适用于那些难以吸入药物的病人)和室内芳香剂。

  

对进化论的挑战

任何涉及燃烧的系统都必须非常小心地设计,因为燃烧很危险!投弹甲虫的化学武器系统明显是一个不可简化的复杂性的实例,因为所有设计特征都要同时到位,否则这个系统就无法工作。这意味着这个系统不可能一步一步逐渐地进化出来,因为进化出部分的系统不能提供任何优势——实际上,这种化学武器系统的半成品还会带来极大的危险,有碍于生物的生存,导致它被自然选择所淘汰!

投弹甲虫的研究还产生了一些未能解决的问题:催化剂具体是以什么形式存在?甲虫如何感知攻击的方向?随意转动的喷头怎么样引导喷雾的方向?过氧化氢和苯二酚是如何产生的?但我们已经清楚地认识到,投弹甲虫体内这些环环相扣、相辅相成的化学反应物、催化剂、反应机制、以及带输入管和输出管的双阀门系统,都表明了高超精妙的工程设计。 

  


    

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参考文献和注释

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 bom-bardier 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, fi re, 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.

5. BBC Life, series 6 ‘Insects’, Martha Holmes, Rupert Barrington, David Attenborough (narrator), 2009.

    

本文原英文链接见:https://creation.com/bombardier-beetle.

 

 

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