Explore
To help keep this free information coming, consider supporting CMI with an online end of year donation!
Also Available in:

Den fantast iska bombarderbaggen

xStenaptinus-insignis
Figur 1. Afrikansk bombarderbagge (Stenaptinus insignis)

Av
Översättning: Göran Schmidt (Genesis.nu)
Genesis 2021(2):20–24

Denna väldigt speciella insekt som bär namnet bombarderbaggen ger ifrån sig en het sprej för att avskräcka en angripare – och kommer för det mesta undan. Sprejen är en blandning av frätande kemikalier, hett vatten och ånga som sprutas ut genom ett särskilt munstycke i vilken riktning som helst!

Specialförsvar med rörligt ”kanontorn”

Bombarderbaggar (familj jordlöpare, Carabidae, underfamilj Brachininae) påträff as huvudsakligen i varma klimat som delar av Asien, Afrika, Australien och USA. Men man hittar dem också i Europa (i Sverige förekommer de på Öland, Gotland och i Stockholmstrakten ö.a.). Oftast fi nns de i närheten av vatten. De är nattaktiva och gömmer sig på dagtid under stenar.

Bombarderbaggens blandning av kemiskt upphettad ånga och giftiga kemikalier avges från dess bakdel (se fi g 2) genom ett speciellt ”kanontorn” som kan riktas åt alla håll (till och med framåt över ryggen – se fi g 3). Hela systemet används för att avhysa angripare i form av myror, fåglar, spindlar och grodor – och vanligtvis med framgång genom att angriparen blir överrumplad.

Hur går det till?

Bombardier-beetle-spraying-an-ant-attacker
Figur 2. Bombarderbagge som sprejar en angripande myra

Kemikalierna kommer inte ut i form av en kontinuerlig ström1. Professor Tom Eisner var en av författarna till en banbrytande artikel om skalbaggen 1999 och kunde visa att det handlar om en serie av explosioner som åstadkoms genom en kombination av de båda kemikalierna hydrokinon och väteperoxid i närvaro av de båda katalysatorerna katalas och peroxidas.2 (En katalysator får en kemisk reaktion att ske med högre hastighet, men deltar eller förbrukas inte själv i reaktionen.) I ett genomtänkt experiment fi lmade Eisner en fastlimmad bombarderbagge och spelade sedan upp det hela i slow-motion. På så vis kunde han visa att det handlar om ungefär 500 explosioner per sekund och att de – på liknande sätt som ett maskingevär – avlossades i återkommande etapper om vardera 2-3 sekunder. Det här kan skalbaggen upprepa, ibland 4-5 gånger innan det nu uttömda kemiska systemet behöver några minuter på sig att återställas.

Inspirerad av skalbaggen insåg jag att här fanns en smart design att upptäcka. I dialog med Eisner påbörjade jag en studie vid Leeds universitet (England). Vi kunde visa att dessa explosioner kontrollerades av ett unikt ventilsystem där högt tryck leder till att en inloppsventil stängs och en utloppsventil öppnas (se fi g 4 på nästa s1da). Detta medför en våldsam ångexplosion (eng. ”fl ash evaporation”) där en avsevärd andel av vätskan (huvudsakligen vatten) förångas. Eftersom vattenånga upptar 1600 gånger större volym än fl ytande vatten sker utblåsningen med sådan kraft att den drar med sig huvuddelen av det återstående vattnet tillsammans med de frätande kemikalierna. Sprejen har visat sig nå 20 cm – det är 200 gånger längden av den pyttelilla förbränningskammaren.3,4,5 (Se sekvensen i David Attenboroughs serie Life,6 som visar hur bombarderbaggen framgångsrikt avvärjer en myrattack.)

Pytteliten förbränningskammare

Dissektioner av skalbaggens bakdel har avslöjat många fl er detaljer om dess sofi stikerade kemiska försvarssystem. Innan de två kemikalierna reagerar färdas de tillsammans ned längs en mycket tunn kanal där katalysatorerna antingen utsöndras eller möjligen fi nns i form av kristaller.

Photolibrary (London) licence 4511bombardier-beetle-demonstrating-turret
Figur 3. En bombarderbagge som demonstrerar sitt “kanontorn” som möjliggör avfyrningar över den egna ryggen.

Katalysatorerna katalas och peroxidas verkar på väteperoxiden och hydrokinonet. Ett antal väteperoxidmolekyler omvandlas sedan till vatten/ånga, och frigör i samband med det lika många syreatomer som därefter förenar sig med väteatomer som frigörs från hydrokinonet. Värmen från den kraftiga reaktionen mellan syre och väte får återstoden av kemikalierna att reagera och den expanderande ångan orsakar en ångexplosion.

Ventilsystemet är ett så kallat ”passivt responssystem” på grund av att ventilerna arbetar genom tryckförändringar. När förbränningskammaren är tom (se vänstra bildrutan i fi g 4 ovan) och vid normalt lufttryck är inloppskanalen öppen och tillåter kemikalierna att strömma in i kammaren medan utloppskanalen är stängd av ett membran som blockerar den nedre delen av röret. När kammaren väl är fylld och kemikalierna reagerar (se fi g 4 i mitten) kommer kammarens yttersta delar, som är formade som en boxhandske, att klämma åt inloppskanalen så att den stängs. När den kemiska reaktionen i kammaren fortskrider genereras värme och trycket i kammaren stegras till dess att membranet tvingas att öppna nära utloppskanalens mynning (till höger i fi g 4).

15172-diagram
Figur 4. Diagram över bombarderbaggens ventilsystem återgivet från original i referens 4 s. 30
Doodlebug
Figur 5. Nazitysklands robotvapen V1 med smeknamnet ‘Doodlebug’, drevs framåt genom pulsförbränning liknande den hos bombarderbaggen.

Inledande undersökningar av själva kammaren antyder att kammarstrukturen är av ett speciellt värmebeständigt material så att skalbaggen inte kokar sig själv. Både inlopps- och utloppskanalerna till förbränningskammaren är helt åtskilda från skalbaggens matspjälkningapparat.

När den heta vätskan sprutas ut sjunker trycket i kammaren, inloppet öppnar på nytt och tillåter att en ny dos kemikalier strömmar in i kammaren och proceduren upprepas till dess att kemikalieförrådet är slut.

Den här processen kallas ”pulsförbränning” och tillämpas i vissa maskiner för att ge acceleration. Det mest ökända exemplet på detta var robotvapnet V1 ‘Doodlebug’ (se fi g 5) som användes av Adolf Hitler 1944 under andra världskriget mot London och Englands södra landskap. I detta fall var bränslet bensin som brann i luft. Vid den tiden var det inte många som var medvetna om att ett liknande förbränningssystem redan var i bruk av bombarderbaggen – inte för raketdrift utan för att ”bespreja” sina angripare!

Bioinspiration från bombarderbaggen

Den forskning som påbörjades vid universitetet i Leeds har gjort det möjligt för oss att utveckla ett sprejsystem som baseras på skalbaggens teknik. Tvärt emot beskyllningen att skapelsebaserad forskning hämmar forskningen så var det just min övertygelse att skalbaggens brännkammare var designad som ledde mig till att genomföra de här undersökningarna.

Det var uppenbart att där fanns designegenskaper att upptäcka och förstå. Och detta har lett fram till en patenterad sprejanläggning som hettar upp vatten i en speciell kammare (ungefär 20 gånger så stor som den hos bombarderbaggen) där in- och utloppsventilerna kontrolleras elektroniskt så att de öppnar och stänger vid förutbestämda tidpunkter. Vi fann att precis som i fallet med skalbaggen kunde sprejen, med vissa bestämda ventilinställningar, skjutas ut till en maximal sträcka på ca 200 gånger den 2 cm långa värmekammaren vi använde – ungefär 4 meter!

Kopiering av skalbaggsdesign vinner utmärkelse

prototype
Figur 6. Experimentell prototyp för att spreja små droppar av vätska och ånga med bombarderbaggen som förebild.

Vår design har ett aktivt kontrollsystem som inte använder någon kemi, till skillnad från skalbaggens passiva system som tillämpar kemisk upphettning. Men själva ventilsystemet som sådant är snarlikt det som används av skalbaggen och en av prototyperna visas i fig. 6. År 2010 tilldelades vårt arbete utmärkelsen Times Higher Education-priset för bästa bidrag till innovation och teknologi. Systemet har redan använts för att utveckla sprejsystem för bränsleinsprutning i personbils- och lastbilsmotorer.7Uppfinningen håller aktivt på att utvecklas för en brandsläckare som ska kunna hantera skogsbränder och har den stora fördelen att kunna skjuta ånga på långa avstånd. Ånga med en finfördelad sprej av vattendroppar är särskilt effektiv mot skogsbränder eftersom den avlägsnar syret nära elden. Andra möjliga användningsområden är farmaceutiska sprejer för personer som har svårt att inhalera mediciner, liksom rumsdoftare.

Vägspärr för evolution

Varje system som inbegriper förbränning måste designas mycket omsorgsfullt på grund av att förbränning är någonting farligt! Och det är utan tvekan ett exempel på oreducerbar komplexitet, eftersom förbränningssystemet inte kommer att fungera såvida inte alla designegenskaperna finns på rätt plats. Det betyder att det inte kan ha utvecklats steg-för-steg, eftersom ett bara delvis evolverat system inte skulle innebära någon fördel – snarare skulle det innebära ett hinder för varelsens överlevnad och därför elimineras av det naturliga urvalet!

Några av de obesvarade frågor som forskningen om bombarderbaggen har väckt är: I vilket tillstånd föreligger katalysatorerna? Hur registrerar skalbaggen från vilket håll en attack kommer? Hur fungerar det rörliga ”kanontornet” som styr riktningen av skottsalvan? Hur tillverkas kemikalierna väteperoxid och hydrokinon?

Vad vi däremot förstår är att det ömsesidiga beroendeförhållandet mellan skalbaggskemin, förbränningsmekanismen och det dubbla ventilsystemet pekar på en suverän ingenjörsdesign!

Referenser

  1. Detta gäller arten på bilden – Brachinus crepitans. Det finns andra arter (t ex Metrius contractus) som utsöndrar frätande ämnen i en kontinuerlig ström utan pulser (ö.a.). Åter till text.
  2. 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. Åter till text.
  3. 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. Åter till text.
  4. McIntosh, A.C., Combustion, fire, and explosion in nature—some biomimetic possibilities, Proc. IMechE Part C: J. Mechanical Engineering Science 221:1157–1163, 1 okt 2007. Åter till text.
  5. McIntosh, A.C. and Beheshti, N., Insect inspiration, Physics World 21(4):29–31, 2008. Åter till text.
  6. BBC Life, series 6 ‘Insects’, Martha Holmes, Rupert Barrington, David Attenborough (berättare 2009. Se youtu.be/W3sxJNt8CYw?t=183 (kortare: krymp.nu/2ME). Åter till text.
  7. (ö.a.) Däribland forskare vid Lunds tekniska högskola. Se fokusforskning.lu.se/2014/07/28/skalbagge-inspirerar-till-ny-dieselteknik (kortare: krymp.nu/2MF). Åter till text.