Un escarabajo que produce un impactante spray defensivo
Los Escarabajos Bombardier, que existen en todos los continentes excepto la Antártida, tienen una vida muy fácil. Prácticamente no hay otros animales que se alimentan de ellos, a causa de un mecanismo de defensa particularmente eficaz: Cuando se les molesta o ataca, los escarabajos producen una explosión química interna en el abdomen y luego expulsan un chorro de ebullición, un irritante líquido hacia sus atacantes.
Los investigadores se habían desconcertado por la capacidad de estos escarabajos de producir este spray nocivo y evitar cualquier daño físico. Pero ahora el enigma ha sido resuelto, gracias a la investigación de un equipo en el MIT, la Universidad de Arizona, y el Laboratorio Nacional de Brookhaven.
“Su mecanismo defensivo es muy eficaz”, dice Arndt, haciendo a los escarabajos bombarderos “invulnerables a la mayoría de los vertebrados e invertebrados” – a excepción de algunos depredadores muy especializados que han desarrollado contra-medidas contra el aerosol nocivo.
El líquido que estos escarabajos expulsan se llama benzoquinona, y es en realidad un agente defensivo bastante común entre los insectos, dice Arndt. Pero los escarabajos bombarderos son únicos en su capacidad para sobrecalentar el líquido y expulsarlo en un intenso chorro pulsante.
La clave es que sintetizan el producto químico en el instante de uso, la mezcla de dos precursores químicos en una cámara de protección en sus cuartos traseros. A medida que los materiales se combinan para formar el irritante, también emiten calor intenso que trae el líquido casi hasta el punto de ebullición – y, en el proceso, genera la presión necesaria para expulsar en un jet.
Viendo el interior de un escarabajo que vive
“Durante décadas, el complejo mecanismo de cómo el escarabajo bombardero logra pulsaciones en aerosol como defensa química no se ha entendido, porque sólo se han realizado observaciones externas anteriormente”, dice Ortiz. En el estudio actual, los investigadores utilizaron imágenes de rayos X de sincrotrón de alta velocidad para “ver” dentro de los abdómenes de escarabajos bombarderos viviendo durante las explosiones. Utilizaron una instalación en el Laboratorio Nacional Argonne para llevar a cabo los experimentos y producir imágenes detalladas que revelan, por primera vez, cómo funciona el proceso, con una cámara de grabación de la acción a un ritmo de 2.000 fotogramas por segundo.
Las imágenes de rayos X de la explosión revelan la dinámica de vapor dentro de los abdómenes de los escarabajos. Ellos muestran que la pulsación de pulverización es controlada por la vía de paso entre dos cámaras internas; dos estructuras controlan este proceso: una membrana flexible y una válvula.
La apertura y el cierre de esta vía de paso entre una cámara que contiene el líquido precursor y una cámara de explosión parece tener lugar de forma pasiva; un aumento de la presión durante la explosión se expande la membrana, cerrando la válvula. Entonces, después de que se libera la presión cuando se expulsa el líquido, la membrana se relaja de nuevo a su estado original y el paso vuelve a abrir, permitiendo que el siguiente impulso a la forma. Todo esto se lleva a cabo con tanta rapidez – por no mencionar el interior del insecto – que el proceso nunca había sido observado directamente.
El mecanismo explosivo utilizado por el escarabajo bombardero genera un aerosol que no sólo es mucho más caliente que la emitida por otros insectos que utilizan el mismo irritante químico, sino también impulsa el chorro cinco veces más rápido. Tanto la velocidad como el calor sirven para que el spray sea aún más eficaz contra los depredadores potenciales, dice Arndt.
La naturaleza pulsante del aerosol puede ayudar a proteger la estructura de la cámara de reacción del escarabajo, Arndt dice, dando tiempo a las paredes de la cámara que se enfríen un poco antes del siguiente pulso.
La comprensión de la capacidad de los escarabajos ‘para sobrevivir estas intensas explosiones internas pueden ayudar en el diseño de sistemas de protección de la explosión; este estudio muestra cómo funciona el diseño biológico sofisticado y especializado del sistema para lograr simultáneamente funciones defensivas y de protección, dice Ortiz. La cámara de reacción, por ejemplo, posee una, estructura de refuerzo rígido para minimizar el estiramiento y sostener los aumentos de temperatura durante una explosión, mientras que otros componentes permiten el estiramiento y movimiento controlado, reversible para controlar el chorro de fluido. La dinámica de la generación de aerosol también pueden proporcionar información útil en el diseño de sistemas de propulsión, dicen los investigadores.
R. Jeffrey Dean, profesor de biología en la Universidad Estatal de Cleveland, que estudia los mecanismos de defensa del escarabajo bombardero, dice que el nuevo trabajo es una “maravillosa confirmación del modelo pasivo cualitativa ‘jet de pulso'” primero propuesto por su equipo. “Aunque los resultados no son inesperados, estoy sorprendido por los avances progresivos en las técnicas”, añade.
Esta investigación fue apoyada por el Departamento de Energía, el Departamento de Defensa a través de la Oficina de Investigación del Ejército de Estados Unidos y de la Ciencia Nacional de Seguridad e Ingeniería Facultad de becas, y la Fundación Nacional de Ciencia.
