如果你想看到自然界的一个奇迹，只需惊吓一只投弹甲虫。但请小心：当甲虫受到惊吓时，它们会将一种复杂的芳香化学混合物灌入一个内部腔室，触发一系列化学反应，使液体爆炸并从昆虫的喷嘴中以机枪般的脉冲射出有毒的、滚烫的蒸汽。这种爆炸性的、高压的有害化学物质不会伤害甲虫，但它会弄脏和刺激人类的皮肤——并可以直接杀死较小的敌人。
甲虫的非凡武器库被一些人作为上帝存在的证据：创造论者争论说，这种复杂的、多步骤的防御机制怎么可能偶然进化而来？现在，新泽西州霍博肯的史蒂文斯理工学院的研究人员展示了投弹甲虫如何调制其致命的炸药，并在此过程中，了解进化如何赋予甲虫这种非凡的火力。
“我们首次解释了这些令人难以置信的甲虫如何生物合成化学物质来制造爆炸的燃料，”化学研究教授Athula Attygalle说，他是该工作的主要作者，该工作发表在《自然科学》2020年7月刊上。“这是一个以前没有人能够讲述的迷人故事。”
为了追踪甲虫内部化学装置的工作原理，Attygalle和他的同事在加州大学伯克利分校使用了氘，一种罕见的氢同位素，来标记特别合成的化学混合物。Kipling Will领导的团队然后将氘标记的化学物质注入甲虫的内部液体，或将它们与狗粮混合并喂给甲虫数天。
Attygalle的团队通过将甲虫放入冰箱使其镇静，然后轻轻拉扯它们的腿，直到它们在精心放置的滤纸上喷出防御性喷雾。团队还解剖了一些甲虫，使用人类毛发绑住连接其化学储存库和反应室的小管，并采样用于产生爆炸的原始化学物质。
使用质谱仪，Attygalle检查了送到史蒂文斯的样品中的氘标记产品，使他能够准确地找出甲虫已经纳入其炸弹制造工具包的化学物质。“人们至少已经猜测了50年，但我们终于有了明确的答案，”Attygalle说。“事实证明，甲虫的生化反应比我们想象的还要复杂。”
以前，研究人员假设甲虫喷雾中发现的两种有毒的苯型化学物质苯醌是从氢醌代谢而来的，氢醌是一种有毒化学物质，在人类中可能导致癌症或基因损伤。史蒂文斯团队表明，实际上甲虫的苯醌中只有一种来自氢醌，另一种来自完全不同的前体：煤焦油中发现的毒素间甲酚。
Attygalle说，甲虫能够安全地代谢如此有毒的化学物质是令人着迷的。在未来的研究中，他希望进一步追踪甲虫的化学供应链，了解前体是如何从自然可用的物质中生物合成的。
该团队的研究结果还表明，甲虫的炸药依赖于许多其他爬行动物中发现的化学途径。其他动物，如千足虫，也使用苯醌来阻止捕食者，尽管它们缺乏投弹甲虫引爆其化学防御的能力。进化上遥远的生物，如蜘蛛和千足虫，也使用类似的策略，这表明多种生物已经独立进化出生物合成化学物质的方法。
Attygalle说，这是一个提醒，即投弹甲虫虽然非凡，但它是丰富且完全自然的进化织锦的一部分。“通过研究甲虫化学的相似性和差异，我们可以更清楚地看到它们和其他物种如何适应进化树，”他解释说。“甲虫非常多样化，它们都有令人惊叹的化学故事要讲述。”