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2015년 5월 3일 일요일

폭탄 먼지 벌레의 비밀



(독성 스프레이를 방출하는 폭탄 먼지 벌레. Bombardier beetles eject a liquid called benzoquinone, which they superheat and expel in an intense, pulsating jet. The explosive mechanism used by the beetle generates a spray that's much hotter than that of other insects that use the liquid, and propels the jet five times faster.
Credit: Charles Hedgcock ) 

 방귀 벌레라는 애칭(?)을 가지고 있는 폭탄 먼지 벌레(Bombardier beetles)는 남극 대륙을 제외한 전세계 모든 대륙에서 볼 수 있는 딱정벌레과 곤충으로 약 500여 종이 알려져 있습니다. 우리나라에서도 발견되죠. 이 벌레는 별명처럼 위협을 당하면 강력한 가스를 분출해 천적을 물리칩니다.

 이 강력한 가스는 방귀가 아니라 고온 고압의 독성 물질로 여기에 대응할 수 있도록 진화된 극히 일부 천적을 제외하고 모든 적을 물리칠 수 있습니다. 이들은 복부에 두개의 원료 물질을 보관하는 주머니를 가지고 있습니다. 두 원료 물질은 hydroquinones 과 hydrogen peroxide입니다. 이 두 물질이 반응하면 폭발하면서 고온의 독성 스프레이 형식으로 1,4-Benzoquinone 이 방출됩니다. 

 따라서 폭탄 먼지 벌레는 스컹크와는 완전히 격이 다른 동물계의 화학전 전문가라고 할 수 있습니다. 이 물질은 심지어 사람에게도 상당한 고통을 안겨줄 수 있습니다. 하지만 이 고온의 벤조퀴논은 폭탄 먼지 벌레에게도 위험합니다. 어떻게 이 벌레들은 자신이 내뿜는 독가스에 손상을 입지 않을 수 있는지는 지금까지 미스테리였습니다.      

 MIT, 애리조나 주립 대학, 브룩헤븐 국립 연구소의 과학자팀은 이 곤충의 비밀을 밝히기 위해서 강력한 고속 싱크로트론 X선 (high-speed synchrotron X-ray)을 사용했습니다. 이 신기술을 이용해서 과학자들은 곤충의 체내를 해부하지 않고도 실시간으로 관찰할 수 있습니다. (동영상 참조) 



(동영상)    

 폭탄 먼지 벌레가 '폭탄'을 체내에서 발사하는 순간을 포착하기 위해, 연구팀은 초당 2000 프레임으 고속으로 그 내부를 촬영했습니다. 몸길이 11-18mm 에 불과한 작은 곤충의 체내에서 일어나는 일을 이렇게 고속으로 촬영해서 생생하게 재구성한다는 것은 그야말로 현대 과학기술의 경이라고 할 수 있을 것입니다. 

 연구 결과 이 곤충들은 아주 단순한 방식으로 폭발 반응을 콘트롤 하는 것으로 드러났습니다. 원료 물질이 폭발 주머니 안으로 들어가면 여기서 폭발이 일어나는데 그러면 압력이 높아지면서 입구가 닫히는 단순한 수동 밸브식 방식이라고 합니다. 하지만 이런 단순한 방식으로 닫아주지 않으면 적이 아니라 이 곤충이 폭발할 우려가 있기 때문에 이런 안전 장치는 반드시 필요한 것이죠. 

 폭발 이후 압력이 낮아지면 다시 주머니 안쪽으로 원료 물질이 들어올 수 있게 되는데, 물론 위협을 받았을 때만 폭발 원료 물질이 주머니 안쪽으로 들어가게 됩니다. 폭발할 때는 이 곤충이 견딜 수 있을 만큼만 소량씩 물질이 주입되기 때문에 고속 카메라로 보면 여러 차례 물질을 방출하는 것을 볼 수 있습니다.

 독성 물질을 진화시킨 곤충은 매우 많지만 이런 방식으로 뿜어내는 것은 폭탄 먼지 벌레 뿐입니다. 그 결과 더 효과적인 방어 수단이 된 것은 말할 것도 없습니다. 이 곤충이 뿜어내는 고온의 가스는 온도가 섭씨 100도에 이릅니다. 당연히 이렇게 위험한 물질은 체내에서 보관할 수 없고 원료 물질만 보관 한 후 빠르게 배출을 해야 안전하겠죠. 

 이들은 진정한 의미의 진화적 화학전 전문가들입니다. 이 연구는 사이언스에 실렸습니다. 

 참고 

 Journal Reference:
  1. Eric M. Arndt, Wendy Moore, Wah-Keat Lee, Christine Ortiz.Mechanistic origins of bombardier beetle (Brachinini) explosion-induced defensive spray pulsation. Science, 2015 DOI:10.1126/science.1261166




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