基本信息
- 项目名称：
- 广屁步甲的化学防御系统与防御行为
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 广屁步甲（Pheropsophus occipitalis）是分布于中国的1个特殊的物种，具有奇特的化学防御组织和防御行为。作者于2008—2009年对中国特有种——广屁步甲的化学防御系统与防御行为进行了初步研究，得到如下结果： （1）广屁步甲的防御腺着生于第五可见背板，由分泌腺体、贮液室和反应室三部分组成。贮液室是1对十分发达的透明囊体外包有肌肉组织的结构，每个囊体上着生1束由12根螺纹状细长导管，用以吸收血腔中的有毒物质并流经腺体贮存在贮液室，其基部与骨化程度很高的肌肉阀连接，贮液室的液体流经反应室并向外释放。 （2）广屁步甲防御腺化学物质由分泌腺产生，其成分主要为对苯二酚和过氧化氢，在贮液室内混合并保存。当受到刺激时，混合液进入反应室，在过氧化氢酶和过氧化物酶的作用下燃烧变成温度高达100℃的苯醌类混合液，并产生大量氧气，形成巨大的推动力、伴随响声喷射出体外；整个喷射过程是以脉冲的形式释放。 （3）广屁步甲通过特殊装置向外喷射防御腺化学物质时，有明确的方向选择，防御腺化学物质的点燃采取加入过氧化氢酶和过氧化物酶加速反应的方式进行。
- 详细介绍：
- 昆虫在长期的自然选择中形成了一套较为成功的防御机制, 包括隐匿防御、机械防御、化学防御等，在众多行为中化学防御最能起到决定性的作用。化学防御可能更消耗能量，但是却是高效的。而广屁步甲的防御行为却又是化学防御中较为独特的，其进行防御行为时在喷射味臭的苯醌等化学物质的同时还伴有高温的产生。我国广屁步甲的化学防御与行为尚未有过系统的研究和分析，因此，我们萌发出探究广屁步甲的欲望，并在老师的指导下，旨在对下列问题给予解答：1.广屁步甲的防御腺体的基本结构是怎样的，它与已研究的气步甲（Brachinus）属有什么样的区别。2.广屁步甲的防御分泌物质有哪些组成成分，与气步甲属的昆虫相比较，是否在成分组成上存在较大的差异。3.广屁步甲的防御行为的观察与研究。我们经过将近一年的时间，在老师的指导下，对上述三个问题进行了深入的探究,并得出以下结论：（1）防御腺体的形态结构：广屁步甲的防御腺体是由成对的器官所组成，每个器官又是由分泌腺体，贮液室和反应室3部分所构成。腺体十分发达，在同属的步甲中属于较为进化的一种。（2）防御腺化学物质组成与特色：分泌腺体产生对苯二酚和过氧化氢，在贮液室内混合保存。当广屁步甲受到刺激时，混合液会进入反应室，并在过氧化氢酶和过氧化物酶的作用下，变成温度高达100℃的苯醌类混合液。该反应产生的氧气提供巨大的动力，使得防御物质能迅速喷射出体外，整个喷射过程是一个脉冲式的过程。（3）防御腺化学物质的点燃采取以加入过氧化氢酶加速反应的方式进行。（4）防御腺化学物质有明确的喷射方向选择。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 作品的目的是通过对广屁步甲的研究在屁步甲属的定名和分类上提供一定的理论依据，同时揭示其特殊的防御行为和防御系统。 作品的基本思路是从广屁步甲防御物质的化学成分分析，腺体结构的研究和防御行为的观察三个方面来揭示和研究广屁步甲奇特的防御系统。
科学性、先进性及独特之处
- 本研究基于对广屁步甲防御腺形态结构、分泌物化化学组成和释放行为学的一系列研究，首次揭示了中国特有种—广屁步甲独特的防御腺体结构、防御物质的化学成分组成，对其防御物质的释放形式与行为表现进行了研究，具有重要科学价值和创新意义。
应用价值和现实意义
- 广屁步甲在悠久的自然选择和适应进化中形成了十分奇特的防御本领，揭示其特殊的“炮弹”构成及其释放方式，具有重要仿生学价值。
学术论文摘要
- 广屁步甲（Pheropsophus occipitalis）是分布于中国的1个特殊的物种，具有奇特的化学防御组织和防御行为。作者于2008—2009年对中国特有种——广屁步甲的化学防御系统与防御行为进行了初步研究，得到如下结果： （1）广屁步甲的防御腺着生于第五可见背板，由分泌腺体、贮液室和反应室三部分组成。贮液室是1对十分发达的透明囊体外包有肌肉组织的结构，每个囊体上着生1束由12根螺纹状细长导管，用以吸收血腔中的有毒物质并流经腺体贮存在贮液室，其基部与骨化程度很高的肌肉阀连接，贮液室的液体流经反应室并向外释放。 （2）广屁步甲防御腺化学物质由分泌腺产生，其成分主要为对苯二酚和过氧化氢，在贮液室内混合并保存。当受到刺激时，混合液进入反应室，在过氧化氢酶和过氧化物酶的作用下燃烧变成温度高达100℃的苯醌类混合液，并产生大量氧气，形成巨大的推动力、伴随响声喷射出体外；整个喷射过程是以脉冲的形式释放。 （3）广屁步甲通过特殊装置向外喷射防御腺化学物质时，有明确的方向选择，防御腺化学物质的点燃采取加入过氧化氢酶和过氧化物酶加速反应的方式进行。
获奖情况
- 作品在2009年5月在河北省廊坊市北华航天工业学院举行的“挑战杯”2009河北省大学生课外学术科技作品竞赛上获得河北省特等奖。
鉴定结果
参考文献
- 1. 任国栋,杨秀娟,印红. 基于防御腺的中国琵甲族Blaptini系统发育研究. 昆虫学报，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.
同类课题研究水平概述
- 国外研究 1.Rolland（1730）最先对昆虫喷射“炮弹”的行为进行了描述和记载。此后虽然也有出现对于气步甲防御腺的报道，但直到Aneshansley et al.（1969）才首次对该类昆虫的防御物质和防御腺体做了较为全面的研究。他们首次发现了苯醌类在气步甲防御过程中起重要作用，并首次向人们阐述了气步甲防御的原理；Eisner et al. (1969，1982)对气步甲进行了更为深入的研究，发现了Merius contractus射流偏转附壁效应的现象，并发表了论文阐明了相关的原理；Eisner et al.（1983）通过实验证明气步甲在喷射防御物质时，温度高可达到100℃；Jeffrey et al.（1990）利用热敏电阻的特性，设计实验证明了气步甲的防御喷射并不是一个连续的过程，而是一个脉冲式的过程；Eisner（1999）首次报道了1种产自非洲的屁步甲Stenaptinus insignis的防御行为，用摄像设备证实和记录了其实施防御的过程：当它受到外部刺激时，会从其腹部的末端喷射出1种热的苯醌类物质，在喷射过程中调节自身的姿势使其可以将防御化学物质喷射到受刺激的腿上，能够瞄准几乎可能的任何方向进行喷射。 2.Brow（2001）通过气相色谱和质谱联用技术对其防御液进行了测定，共获得28种化学物质，它们属于醌类、炔类和烃类化合物。 3.Aneshansley（2002）通过对其化学成分的分析，测定出其分泌热的苯醌的温度大约为100℃，每毫克防御液能释放0.2卡路里的热量。
