基本信息
- 項目名稱：
- 廣屁步甲的化學防御系統(tǒng)與防御行為
- 小類：
- 生命科學
- 大類：
- 自然科學類學術論文
- 簡介：
- 廣屁步甲（Pheropsophus occipitalis）是分布于中國的1個特殊的物種，具有奇特的化學防御組織和防御行為。作者于2008—2009年對中國特有種——廣屁步甲的化學防御系統(tǒng)與防御行為進行了初步研究，得到如下結果： （1）廣屁步甲的防御腺著生于第五可見背板，由分泌腺體、貯液室和反應室三部分組成。貯液室是1對十分發(fā)達的透明囊體外包有肌肉組織的結構，每個囊體上著生1束由12根螺紋狀細長導管，用以吸收血腔中的有毒物質(zhì)并流經(jīng)腺體貯存在貯液室，其基部與骨化程度很高的肌肉閥連接，貯液室的液體流經(jīng)反應室并向外釋放。 （2）廣屁步甲防御腺化學物質(zhì)由分泌腺產(chǎn)生，其成分主要為對苯二酚和過氧化氫，在貯液室內(nèi)混合并保存。當受到刺激時，混合液進入反應室，在過氧化氫酶和過氧化物酶的作用下燃燒變成溫度高達100℃的苯醌類混合液，并產(chǎn)生大量氧氣，形成巨大的推動力、伴隨響聲噴射出體外；整個噴射過程是以脈沖的形式釋放。 （3）廣屁步甲通過特殊裝置向外噴射防御腺化學物質(zhì)時，有明確的方向選擇，防御腺化學物質(zhì)的點燃采取加入過氧化氫酶和過氧化物酶加速反應的方式進行。
- 詳細介紹：
- 昆蟲在長期的自然選擇中形成了一套較為成功的防御機制, 包括隱匿防御、機械防御、化學防御等，在眾多行為中化學防御最能起到?jīng)Q定性的作用。化學防御可能更消耗能量，但是卻是高效的。而廣屁步甲的防御行為卻又是化學防御中較為獨特的，其進行防御行為時在噴射味臭的苯醌等化學物質(zhì)的同時還伴有高溫的產(chǎn)生。我國廣屁步甲的化學防御與行為尚未有過系統(tǒng)的研究和分析，因此，我們萌發(fā)出探究廣屁步甲的欲望，并在老師的指導下，旨在對下列問題給予解答：1.廣屁步甲的防御腺體的基本結構是怎樣的，它與已研究的氣步甲（Brachinus）屬有什么樣的區(qū)別。2.廣屁步甲的防御分泌物質(zhì)有哪些組成成分，與氣步甲屬的昆蟲相比較，是否在成分組成上存在較大的差異。3.廣屁步甲的防御行為的觀察與研究。我們經(jīng)過將近一年的時間，在老師的指導下，對上述三個問題進行了深入的探究,并得出以下結論：（1）防御腺體的形態(tài)結構：廣屁步甲的防御腺體是由成對的器官所組成，每個器官又是由分泌腺體，貯液室和反應室3部分所構成。腺體十分發(fā)達，在同屬的步甲中屬于較為進化的一種。（2）防御腺化學物質(zhì)組成與特色：分泌腺體產(chǎn)生對苯二酚和過氧化氫，在貯液室內(nèi)混合保存。當廣屁步甲受到刺激時，混合液會進入反應室，并在過氧化氫酶和過氧化物酶的作用下，變成溫度高達100℃的苯醌類混合液。該反應產(chǎn)生的氧氣提供巨大的動力，使得防御物質(zhì)能迅速噴射出體外，整個噴射過程是一個脈沖式的過程。（3）防御腺化學物質(zhì)的點燃采取以加入過氧化氫酶加速反應的方式進行。（4）防御腺化學物質(zhì)有明確的噴射方向選擇。
作品圖片
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 作品的目的是通過對廣屁步甲的研究在屁步甲屬的定名和分類上提供一定的理論依據(jù)，同時揭示其特殊的防御行為和防御系統(tǒng)。 作品的基本思路是從廣屁步甲防御物質(zhì)的化學成分分析，腺體結構的研究和防御行為的觀察三個方面來揭示和研究廣屁步甲奇特的防御系統(tǒng)。
科學性、先進性及獨特之處
- 本研究基于對廣屁步甲防御腺形態(tài)結構、分泌物化化學組成和釋放行為學的一系列研究，首次揭示了中國特有種—廣屁步甲獨特的防御腺體結構、防御物質(zhì)的化學成分組成，對其防御物質(zhì)的釋放形式與行為表現(xiàn)進行了研究，具有重要科學價值和創(chuàng)新意義。
應用價值和現(xiàn)實意義
- 廣屁步甲在悠久的自然選擇和適應進化中形成了十分奇特的防御本領，揭示其特殊的“炮彈”構成及其釋放方式，具有重要仿生學價值。
學術論文摘要
- 廣屁步甲（Pheropsophus occipitalis）是分布于中國的1個特殊的物種，具有奇特的化學防御組織和防御行為。作者于2008—2009年對中國特有種——廣屁步甲的化學防御系統(tǒng)與防御行為進行了初步研究，得到如下結果： （1）廣屁步甲的防御腺著生于第五可見背板，由分泌腺體、貯液室和反應室三部分組成。貯液室是1對十分發(fā)達的透明囊體外包有肌肉組織的結構，每個囊體上著生1束由12根螺紋狀細長導管，用以吸收血腔中的有毒物質(zhì)并流經(jīng)腺體貯存在貯液室，其基部與骨化程度很高的肌肉閥連接，貯液室的液體流經(jīng)反應室并向外釋放。 （2）廣屁步甲防御腺化學物質(zhì)由分泌腺產(chǎn)生，其成分主要為對苯二酚和過氧化氫，在貯液室內(nèi)混合并保存。當受到刺激時，混合液進入反應室，在過氧化氫酶和過氧化物酶的作用下燃燒變成溫度高達100℃的苯醌類混合液，并產(chǎn)生大量氧氣，形成巨大的推動力、伴隨響聲噴射出體外；整個噴射過程是以脈沖的形式釋放。 （3）廣屁步甲通過特殊裝置向外噴射防御腺化學物質(zhì)時，有明確的方向選擇，防御腺化學物質(zhì)的點燃采取加入過氧化氫酶和過氧化物酶加速反應的方式進行。
獲獎情況
- 作品在2009年5月在河北省廊坊市北華航天工業(yè)學院舉行的“挑戰(zhàn)杯”2009河北省大學生課外學術科技作品競賽上獲得河北省特等獎。
鑒定結果
參考文獻
- 1. 任國棟,楊秀娟,印紅. 基于防御腺的中國琵甲族Blaptini系統(tǒng)發(fā)育研究. 昆蟲學報，2002，46（6）：805-811. 2. Eisner T. and Aneshansley D. J. Spray aiming in the bombardier beetle: photographic evidence. Proc. Natl. Acad. Sci. USA., 1999, 96: 9705-9709.
同類課題研究水平概述
- 國外研究 1.Rolland（1730）最先對昆蟲噴射“炮彈”的行為進行了描述和記載。此后雖然也有出現(xiàn)對于氣步甲防御腺的報道，但直到Aneshansley et al.（1969）才首次對該類昆蟲的防御物質(zhì)和防御腺體做了較為全面的研究。他們首次發(fā)現(xiàn)了苯醌類在氣步甲防御過程中起重要作用，并首次向人們闡述了氣步甲防御的原理；Eisner et al. (1969，1982)對氣步甲進行了更為深入的研究，發(fā)現(xiàn)了Merius contractus射流偏轉(zhuǎn)附壁效應的現(xiàn)象，并發(fā)表了論文闡明了相關的原理；Eisner et al.（1983）通過實驗證明氣步甲在噴射防御物質(zhì)時，溫度高可達到100℃；Jeffrey et al.（1990）利用熱敏電阻的特性，設計實驗證明了氣步甲的防御噴射并不是一個連續(xù)的過程，而是一個脈沖式的過程；Eisner（1999）首次報道了1種產(chǎn)自非洲的屁步甲Stenaptinus insignis的防御行為，用攝像設備證實和記錄了其實施防御的過程：當它受到外部刺激時，會從其腹部的末端噴射出1種熱的苯醌類物質(zhì)，在噴射過程中調(diào)節(jié)自身的姿勢使其可以將防御化學物質(zhì)噴射到受刺激的腿上，能夠瞄準幾乎可能的任何方向進行噴射。 2.Brow（2001）通過氣相色譜和質(zhì)譜聯(lián)用技術對其防御液進行了測定，共獲得28種化學物質(zhì)，它們屬于醌類、炔類和烴類化合物。 3.Aneshansley（2002）通過對其化學成分的分析，測定出其分泌熱的苯醌的溫度大約為100℃，每毫克防御液能釋放0.2卡路里的熱量。
