Johnny Lê Nữu Vượng
Già làng
Bọ bombardier beetle đã truyền cảm hứng cho các nhà thiết kế động cơ, thiết kế các thiết bị tải thuốc cũng như máy dập lửa nhằm cải thiện các công nghệ phun xịt.
Bọ cánh cứng thả bom là loài bọ cánh cứng đất (Carabidae) trong các tông Brachinini, Paussini, Ozaenini, hoặc Metriini - hơn 500 loài - đáng chú ý nhất đối với cơ chế phòng vệ mang lại cho chúng tên gọi: khi bị quấy rầy, chúng phóng chất độc lỏng từ đầu bụng ra với một tiếng xịt. Việc phun chất độc được tạo ra từ phản ứng giữa hai hợp chất hóa học, hydroquinone và hydrogen peroxit, được lưu trữ trong hai hồ chứa trong bụng của chúng. Khi dung dịch nước hydroquinone và hydrogen peroxide đạt tới tiền đình, các chất xúc tác tạo ra sự phân hủy hydrogen peroxide và quá trình oxy hóa hydroquinone.
Bản chất cơ chế phòng vệ này của chúng chính là việc xì hơi, nhưng chất lỏng được phỏng ra có thể đạt tới nhiệt độ đáng kinh ngạc - nhiệt độ sẽ đạt mức kinh ngạc 100 độ C.
Các nhà khoa học từ Đại học California, Berkeley và Viện Công nghệ Stevens đã tiến hành nghiên cứu cơ chế phòng vệ đặc biệt này của chúng. Để theo dõi nguyên lý hoạt động hóa học trong con sâu rắm, các nhà nghiên cứu đã sử dụng đồng vị hidro deuterium cùng một hỗn hợp hóa chất tổng hợp đặc biệt, sau đó tiêm vào cơ thể con sâu rắm, hoặc trộn với thức ăn rồi cho chúng ăn liên tục trong vài ngày.
Nhiệt từ phản ứng này làm cho hỗn hợp gần điểm sôi của nước và tạo ra khí giúp đẩy chất lỏng. Thiệt hại gây ra có thể gây tử vong cho côn trùng bị tấn công. Một số loài bọ cánh cứng trong nhóm này có thể hướng tia chất lỏng bắn ra và phun trên một phạm vi rộng các hướng.
Sau đó, các nhà khoa học đặt những con bọ cánh cứng thả bom vào tủ đông, và trong môi trường lạnh, khó chịu như vậy, chúng đã liên tục cong người lên để thả bom. Nhưng với nhiệt độ thấp những chất mà chúng phóng ra không thể bốc hơi được và đọng lại trong ống dẫn. Sau đó các nhà khoa học tiến hành mổ chúng ra để lấy mẫu. Những mẫu này sau đó được gửi đến một máy đo khối phổ để tìm hiểu xem thành phần hóa chất ở trong những quả "bom hạt nhân" của loài côn trùng này bao gồm những gì.
Kết quả cho thấy có hai chất hóa học độc hại được gọi là benzoquinones trong cơ thể của sâu rắm, một là chất được chuyển hóa bởi hydroquinone đã được biết đến trước đó, chất còn lại là một loại chất độc lập hoàn toàn mới - tiền chất meta-Cresol - một độc tố có trong nhựa than đá. Các chất này có hại cho cơ thể con người, có thể gây ung thư, các bệnh di truyền, có thể gây hại cho mắt của động vật có xương sống và gây kích ứng mạnh cho hệ hô hấp.
Bọ cánh cứng thả bom sinh sống ở tất cả các lục địa ngoại trừ Nam Cực. Chúng thường sống trong rừng hoặc đồng cỏ ở các vùng ôn đới nhưng có thể tìm thấy trong các môi trường khác nếu có nơi ẩm ướt để đẻ trứng. Hầu hết các loài bọ cánh cứng bombardier là loài ăn thịt, bao gồm cả ấu trùng. Các loài bọ cánh cứng này thường đi săn côn trùng khác vào ban đêm, nhưng thường tụ tập với những loài khác trong khi không tìm kiếm thực phẩm.
Các nghiên cứu trước đây đã phát hiện ra rằng có một "bể chứa" và một "buồng phản ứng" trong bụng của loài sâu rắm, trong đó các hợp chất hydroquinone và hydrogen peroxit được sản xuất bởi các tuyến bài tiết lưu trữ.
Khi con sâu rắm bị kích thích, các cơ xung quanh khoang chứa chất lỏng sẽ co lại, và 2 hợp chất trên được đưa vào khoang phản ứng, lúc này hydroquinone và hydrogen peroxit phản ứng mạnh dưới tác dụng của enzym xúc tác, giải phóng rất nhiều nhiệt (gần 100 độ C) có thể làm bay hơi 1/5 hỗn hợp. Nó biến thành khí nóng, và sau đó van của "buồng phản ứng" được mở, khí nóng và dung dịch nặng mùi phun ra ngoài và phát ra tiếng nổ, tung đòn chí mạng vào "kẻ thù".
Tổng lượng chất độc tích trữ trong cơ thể của sâu rắm có thể tung ra khoảng 20 đòn tấn công liên tiếp, đủ để khiến kẻ thù khiếp sợ. Vòi phun của một số loài sâu rắm Châu Phi thậm chí có thể xoay 270 độ, có thể tung đòn tấn công một cách cực kỳ chính xác.
Điều này đã khiến cho các nhà khoa học cảm thấy rất bất ngờ bởi một sinh vật nhỏ bé lại có thể sở hữu cơ chế phòng thủ "tối tân" không kém gì các loại vũ khí sinh học. Dựa vào cơ chế bảo vệ mạnh mẽ này, sâu rắm có thể liên tục điều chế vũ khí ngay cả sau khi bị kẻ thù nuốt chửng, điều đó khiến kẻ săn mồi buồn nôn, và cuối cùng phải nôn chúng ra ngoài.
Các nhà khoa học Nhật Bản đã từng làm một thí nghiệm, trong đó họ liên tục kích thích một số con sâu rắm, làm cạn kiệt vũ khí "sinh học" của chúng, sau đó đem chúng cho cóc ăn, kết quả là những con sâu rắm này không thể sống sót. Trong khi đó gần một nửa những con sâu rắm vẫn còn nguyên kho vũ khí bị cóc nhổ ra sau 12 phút, và hiển nhiên chúng vẫn còn sống.
Cơ chế bảo vệ phức tạp và độc đáo của sâu rắm đã được nghiên cứu cách đây rất lâu. Một số nhà sáng tạo coi khả năng phi thường này là bằng chứng về sự sáng tạo của tạo hóa vì chẳng ai có thể tưởng tượng được làm thế nào mà sâu rắm phát triển một chức năng phức tạp được như vậy.
Bọ bombardier beetle sống chủ yếu ở Châu Phi và Châu Á rất đặc biệt trong việc nó có thể xịt ra một chất lỏng độc và nóng để chống lại kẻ thù ăn thịt như chim hay ếch. Trong khi sự phản ứng hóa học tạo ra nọc độc lâu lâu mới được xác nhận thì sức mạnh thực sự của tia xịt độc phóng xa 20cm lại chính là nguyên nhân để nghiên cứu.
Số lượng khí hydroquinone và hydro peroxyt hình thành trong bụng của bọ nhưng khi cần thiết để phòng vệ thì chúng sẽ trộn lẫn với nhau trong một “khoang đốt” được kết nối để tạo ra chất benzoquinone độc hại. Chất lỏng nóng này sau đó được bắn ra với một lực mạnh trước mặt kẻ thù ăn thịt.
Chìa khóa trong mẹo phòng thủ uy lực của con bọ này là van nạp (hay lối vào) của khoang đốt và các van thoát. Van nạp sẽ mở ra để tiếp nhận các chất hóa học và sẽ đóng lại khi nhận đủ lượng khí cần thiết, các chất này sẽ sôi nóng lên ngay khi tiếp xúc tới phần van.
Khi các chất khí phản ứng với nhau, chúng sẽ tạo ra nhiệt và làm tăng áp suất trong khoang kín. Khi áp suất này đạt tới đỉnh điểm, phần cuối của khoang thoát bị ép mở ra và chất lỏng nóng rát bị đẩy ra với một tia chất độc mạnh trong một quá trình được gọi là “sự bay hơi nhanh”.
Một khi chất khí thoát ra, van thoát sẽ đóng lại, van nạp sẽ mở ra và khoang đốt lại được đổ đầy khí lần nữa, chuẩn bị cho việc bắn chất độc kế tiếp.
Đội ngũ nghiên cứu của trường Kỹ thuật chất liệu, môi trường và quá trình thuộc Đại học Leeds hiện nay đã tái tạo được cách thức bọ bombardier beetle bắn chất độc nóng. Trong một loạt thí nghiệm sử dụng nước (chứ không sử dụng nọc độc), McIntosh và đội ngũ của ông có thể bắn được các tia nước nóng với khoảng cách tới bốn met và có thể điều chỉnh được kích thước của giọt nước trong tia xịt đó. Hiện nay kỹ thuật này đã được công ty TNHH Biomimetics 3000 cấp giấy phép ứng dụng công nghiệp.
Công nghệ mới này có vẻ rất thú vị đối với các công ty trong việc chế tạo ra hệ thống tải thuốc vì nó chứng tỏ có uy tín hơn nhiều so với công nghệ điều khiển bằng cơ học, như các máy hô hấp chẳng hạn. Công nghệ cũng cung cấp cơ chế giàu nguồn năng lượng hơn đối với sự phun nhiên liệu trong các động cơ xe hơi và thậm chí còn mang lại một thế hệ mới cho các máy dập lửa có thể tạo ra màn sương hiệu quả hay các giọt nước lớn tùy thuộc vào từng loại lửa cần được dập tắt.
Andy McIntosh thuộc Đại học Leeds và Novid Beheshti của công ty Thụy Điển Biomimetics 3000 đã thảo luận chi tiết về cuộc nghiên cứu này trên tạp chí Physics World số tháng Bốn.
Bọ cánh cứng thả bom là loài bọ cánh cứng đất (Carabidae) trong các tông Brachinini, Paussini, Ozaenini, hoặc Metriini - hơn 500 loài - đáng chú ý nhất đối với cơ chế phòng vệ mang lại cho chúng tên gọi: khi bị quấy rầy, chúng phóng chất độc lỏng từ đầu bụng ra với một tiếng xịt. Việc phun chất độc được tạo ra từ phản ứng giữa hai hợp chất hóa học, hydroquinone và hydrogen peroxit, được lưu trữ trong hai hồ chứa trong bụng của chúng. Khi dung dịch nước hydroquinone và hydrogen peroxide đạt tới tiền đình, các chất xúc tác tạo ra sự phân hủy hydrogen peroxide và quá trình oxy hóa hydroquinone.
Bản chất cơ chế phòng vệ này của chúng chính là việc xì hơi, nhưng chất lỏng được phỏng ra có thể đạt tới nhiệt độ đáng kinh ngạc - nhiệt độ sẽ đạt mức kinh ngạc 100 độ C.
Các nhà khoa học từ Đại học California, Berkeley và Viện Công nghệ Stevens đã tiến hành nghiên cứu cơ chế phòng vệ đặc biệt này của chúng. Để theo dõi nguyên lý hoạt động hóa học trong con sâu rắm, các nhà nghiên cứu đã sử dụng đồng vị hidro deuterium cùng một hỗn hợp hóa chất tổng hợp đặc biệt, sau đó tiêm vào cơ thể con sâu rắm, hoặc trộn với thức ăn rồi cho chúng ăn liên tục trong vài ngày.
Nhiệt từ phản ứng này làm cho hỗn hợp gần điểm sôi của nước và tạo ra khí giúp đẩy chất lỏng. Thiệt hại gây ra có thể gây tử vong cho côn trùng bị tấn công. Một số loài bọ cánh cứng trong nhóm này có thể hướng tia chất lỏng bắn ra và phun trên một phạm vi rộng các hướng.
Sau đó, các nhà khoa học đặt những con bọ cánh cứng thả bom vào tủ đông, và trong môi trường lạnh, khó chịu như vậy, chúng đã liên tục cong người lên để thả bom. Nhưng với nhiệt độ thấp những chất mà chúng phóng ra không thể bốc hơi được và đọng lại trong ống dẫn. Sau đó các nhà khoa học tiến hành mổ chúng ra để lấy mẫu. Những mẫu này sau đó được gửi đến một máy đo khối phổ để tìm hiểu xem thành phần hóa chất ở trong những quả "bom hạt nhân" của loài côn trùng này bao gồm những gì.
Kết quả cho thấy có hai chất hóa học độc hại được gọi là benzoquinones trong cơ thể của sâu rắm, một là chất được chuyển hóa bởi hydroquinone đã được biết đến trước đó, chất còn lại là một loại chất độc lập hoàn toàn mới - tiền chất meta-Cresol - một độc tố có trong nhựa than đá. Các chất này có hại cho cơ thể con người, có thể gây ung thư, các bệnh di truyền, có thể gây hại cho mắt của động vật có xương sống và gây kích ứng mạnh cho hệ hô hấp.
Bọ cánh cứng thả bom sinh sống ở tất cả các lục địa ngoại trừ Nam Cực. Chúng thường sống trong rừng hoặc đồng cỏ ở các vùng ôn đới nhưng có thể tìm thấy trong các môi trường khác nếu có nơi ẩm ướt để đẻ trứng. Hầu hết các loài bọ cánh cứng bombardier là loài ăn thịt, bao gồm cả ấu trùng. Các loài bọ cánh cứng này thường đi săn côn trùng khác vào ban đêm, nhưng thường tụ tập với những loài khác trong khi không tìm kiếm thực phẩm.
Các nghiên cứu trước đây đã phát hiện ra rằng có một "bể chứa" và một "buồng phản ứng" trong bụng của loài sâu rắm, trong đó các hợp chất hydroquinone và hydrogen peroxit được sản xuất bởi các tuyến bài tiết lưu trữ.
Khi con sâu rắm bị kích thích, các cơ xung quanh khoang chứa chất lỏng sẽ co lại, và 2 hợp chất trên được đưa vào khoang phản ứng, lúc này hydroquinone và hydrogen peroxit phản ứng mạnh dưới tác dụng của enzym xúc tác, giải phóng rất nhiều nhiệt (gần 100 độ C) có thể làm bay hơi 1/5 hỗn hợp. Nó biến thành khí nóng, và sau đó van của "buồng phản ứng" được mở, khí nóng và dung dịch nặng mùi phun ra ngoài và phát ra tiếng nổ, tung đòn chí mạng vào "kẻ thù".
Tổng lượng chất độc tích trữ trong cơ thể của sâu rắm có thể tung ra khoảng 20 đòn tấn công liên tiếp, đủ để khiến kẻ thù khiếp sợ. Vòi phun của một số loài sâu rắm Châu Phi thậm chí có thể xoay 270 độ, có thể tung đòn tấn công một cách cực kỳ chính xác.
Điều này đã khiến cho các nhà khoa học cảm thấy rất bất ngờ bởi một sinh vật nhỏ bé lại có thể sở hữu cơ chế phòng thủ "tối tân" không kém gì các loại vũ khí sinh học. Dựa vào cơ chế bảo vệ mạnh mẽ này, sâu rắm có thể liên tục điều chế vũ khí ngay cả sau khi bị kẻ thù nuốt chửng, điều đó khiến kẻ săn mồi buồn nôn, và cuối cùng phải nôn chúng ra ngoài.
Các nhà khoa học Nhật Bản đã từng làm một thí nghiệm, trong đó họ liên tục kích thích một số con sâu rắm, làm cạn kiệt vũ khí "sinh học" của chúng, sau đó đem chúng cho cóc ăn, kết quả là những con sâu rắm này không thể sống sót. Trong khi đó gần một nửa những con sâu rắm vẫn còn nguyên kho vũ khí bị cóc nhổ ra sau 12 phút, và hiển nhiên chúng vẫn còn sống.
Cơ chế bảo vệ phức tạp và độc đáo của sâu rắm đã được nghiên cứu cách đây rất lâu. Một số nhà sáng tạo coi khả năng phi thường này là bằng chứng về sự sáng tạo của tạo hóa vì chẳng ai có thể tưởng tượng được làm thế nào mà sâu rắm phát triển một chức năng phức tạp được như vậy.
Bọ bombardier beetle sống chủ yếu ở Châu Phi và Châu Á rất đặc biệt trong việc nó có thể xịt ra một chất lỏng độc và nóng để chống lại kẻ thù ăn thịt như chim hay ếch. Trong khi sự phản ứng hóa học tạo ra nọc độc lâu lâu mới được xác nhận thì sức mạnh thực sự của tia xịt độc phóng xa 20cm lại chính là nguyên nhân để nghiên cứu.
Số lượng khí hydroquinone và hydro peroxyt hình thành trong bụng của bọ nhưng khi cần thiết để phòng vệ thì chúng sẽ trộn lẫn với nhau trong một “khoang đốt” được kết nối để tạo ra chất benzoquinone độc hại. Chất lỏng nóng này sau đó được bắn ra với một lực mạnh trước mặt kẻ thù ăn thịt.
|
| Bọ bombardier beetle sống chủ yếu ở Châu Phi và Châu Á rất đặc biệt trong việc nó có thể xịt ra một chất lỏng độc và nóng để chống lại kẻ thù ăn thịt như chim hay ếch. (Ảnh: Viện Vật lý) |
Khi các chất khí phản ứng với nhau, chúng sẽ tạo ra nhiệt và làm tăng áp suất trong khoang kín. Khi áp suất này đạt tới đỉnh điểm, phần cuối của khoang thoát bị ép mở ra và chất lỏng nóng rát bị đẩy ra với một tia chất độc mạnh trong một quá trình được gọi là “sự bay hơi nhanh”.
Một khi chất khí thoát ra, van thoát sẽ đóng lại, van nạp sẽ mở ra và khoang đốt lại được đổ đầy khí lần nữa, chuẩn bị cho việc bắn chất độc kế tiếp.
Đội ngũ nghiên cứu của trường Kỹ thuật chất liệu, môi trường và quá trình thuộc Đại học Leeds hiện nay đã tái tạo được cách thức bọ bombardier beetle bắn chất độc nóng. Trong một loạt thí nghiệm sử dụng nước (chứ không sử dụng nọc độc), McIntosh và đội ngũ của ông có thể bắn được các tia nước nóng với khoảng cách tới bốn met và có thể điều chỉnh được kích thước của giọt nước trong tia xịt đó. Hiện nay kỹ thuật này đã được công ty TNHH Biomimetics 3000 cấp giấy phép ứng dụng công nghiệp.
Công nghệ mới này có vẻ rất thú vị đối với các công ty trong việc chế tạo ra hệ thống tải thuốc vì nó chứng tỏ có uy tín hơn nhiều so với công nghệ điều khiển bằng cơ học, như các máy hô hấp chẳng hạn. Công nghệ cũng cung cấp cơ chế giàu nguồn năng lượng hơn đối với sự phun nhiên liệu trong các động cơ xe hơi và thậm chí còn mang lại một thế hệ mới cho các máy dập lửa có thể tạo ra màn sương hiệu quả hay các giọt nước lớn tùy thuộc vào từng loại lửa cần được dập tắt.
Andy McIntosh thuộc Đại học Leeds và Novid Beheshti của công ty Thụy Điển Biomimetics 3000 đã thảo luận chi tiết về cuộc nghiên cứu này trên tạp chí Physics World số tháng Bốn.
