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基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 廣屁步甲的化學(xué)防御系統(tǒng)與防御行為
- 來(lái)源：
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”國(guó)賽作品
- 小類(lèi)：
- 生命科學(xué)
- 大類(lèi)：
- 自然科學(xué)類(lèi)學(xué)術(shù)論文
- 簡(jiǎn)介：
- 廣屁步甲（Pheropsophus occipitalis）是分布于中國(guó)的1個(gè)特殊的物種，具有奇特的化學(xué)防御組織和防御行為。作者于2008—2009年對(duì)中國(guó)特有種——廣屁步甲的化學(xué)防御系統(tǒng)與防御行為進(jìn)行了初步研究，得到如下結(jié)果： （1）廣屁步甲的防御腺著生于第五可見(jiàn)背板，由分泌腺體、貯液室和反應(yīng)室三部分組成。貯液室是1對(duì)十分發(fā)達(dá)的透明囊體外包有肌肉組織的結(jié)構(gòu)，每個(gè)囊體上著生1束由12根螺紋狀細(xì)長(zhǎng)導(dǎo)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(yīng)室并向外釋放。 （2）廣屁步甲防御腺化學(xué)物質(zhì)由分泌腺產(chǎn)生，其成分主要為對(duì)苯二酚和過(guò)氧化氫，在貯液室內(nèi)混合并保存。當(dāng)受到刺激時(shí)，混合液進(jìn)入反應(yīng)室，在過(guò)氧化氫酶和過(guò)氧化物酶的作用下燃燒變成溫度高達(dá)100℃的苯醌類(lèi)混合液，并產(chǎn)生大量氧氣，形成巨大的推動(dòng)力、伴隨響聲噴射出體外；整個(gè)噴射過(guò)程是以脈沖的形式釋放。 （3）廣屁步甲通過(guò)特殊裝置向外噴射防御腺化學(xué)物質(zhì)時(shí)，有明確的方向選擇，防御腺化學(xué)物質(zhì)的點(diǎn)燃采取加入過(guò)氧化氫酶和過(guò)氧化物酶加速反應(yīng)的方式進(jìn)行。
- 詳細(xì)介紹：
- 昆蟲(chóng)在長(zhǎng)期的自然選擇中形成了一套較為成功的防御機(jī)制, 包括隱匿防御、機(jī)械防御、化學(xué)防御等，在眾多行為中化學(xué)防御最能起到?jīng)Q定性的作用。化學(xué)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(xué)防御中較為獨(dú)特的，其進(jìn)行防御行為時(shí)在噴射味臭的苯醌等化學(xué)物質(zhì)的同時(shí)還伴有高溫的產(chǎn)生。我國(guó)廣屁步甲的化學(xué)防御與行為尚未有過(guò)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(dǎo)下，旨在對(duì)下列問(wèn)題給予解答：1.廣屁步甲的防御腺體的基本結(jié)構(gòu)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(chóng)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(guò)將近一年的時(shí)間，在老師的指導(dǎo)下，對(duì)上述三個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了深入的探究,并得出以下結(jié)論：（1）防御腺體的形態(tài)結(jié)構(gòu)：廣屁步甲的防御腺體是由成對(duì)的器官所組成，每個(gè)器官又是由分泌腺體，貯液室和反應(yīng)室3部分所構(gòu)成。腺體十分發(fā)達(dá)，在同屬的步甲中屬于較為進(jìn)化的一種。（2）防御腺化學(xué)物質(zhì)組成與特色：分泌腺體產(chǎn)生對(duì)苯二酚和過(guò)氧化氫，在貯液室內(nèi)混合保存。當(dāng)廣屁步甲受到刺激時(shí)，混合液會(huì)進(jìn)入反應(yīng)室，并在過(guò)氧化氫酶和過(guò)氧化物酶的作用下，變成溫度高達(dá)100℃的苯醌類(lèi)混合液。該反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣提供巨大的動(dòng)力，使得防御物質(zhì)能迅速?lài)娚涑鲶w外，整個(gè)噴射過(guò)程是一個(gè)脈沖式的過(guò)程。（3）防御腺化學(xué)物質(zhì)的點(diǎn)燃采取以加入過(guò)氧化氫酶加速反應(yīng)的方式進(jìn)行。（4）防御腺化學(xué)物質(zhì)有明確的噴射方向選擇。
作品圖片
作品專(zhuān)業(yè)信息
撰寫(xiě)目的和基本思路
- 作品的目的是通過(guò)對(duì)廣屁步甲的研究在屁步甲屬的定名和分類(lèi)上提供一定的理論依據(jù)，同時(shí)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(xué)成分分析，腺體結(jié)構(gòu)的研究和防御行為的觀察三個(gè)方面來(lái)揭示和研究廣屁步甲奇特的防御系統(tǒng)。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 本研究基于對(duì)廣屁步甲防御腺形態(tài)結(jié)構(gòu)、分泌物化化學(xué)組成和釋放行為學(xué)的一系列研究，首次揭示了中國(guó)特有種—廣屁步甲獨(dú)特的防御腺體結(jié)構(gòu)、防御物質(zhì)的化學(xué)成分組成，對(duì)其防御物質(zhì)的釋放形式與行為表現(xiàn)進(jìn)行了研究，具有重要科學(xué)價(jià)值和創(chuàng)新意義。
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義
- 廣屁步甲在悠久的自然選擇和適應(yīng)進(jìn)化中形成了十分奇特的防御本領(lǐng)，揭示其特殊的“炮彈”構(gòu)成及其釋放方式，具有重要仿生學(xué)價(jià)值。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 廣屁步甲（Pheropsophus occipitalis）是分布于中國(guó)的1個(gè)特殊的物種，具有奇特的化學(xué)防御組織和防御行為。作者于2008—2009年對(duì)中國(guó)特有種——廣屁步甲的化學(xué)防御系統(tǒng)與防御行為進(jìn)行了初步研究，得到如下結(jié)果： （1）廣屁步甲的防御腺著生于第五可見(jiàn)背板，由分泌腺體、貯液室和反應(yīng)室三部分組成。貯液室是1對(duì)十分發(fā)達(dá)的透明囊體外包有肌肉組織的結(jié)構(gòu)，每個(gè)囊體上著生1束由12根螺紋狀細(xì)長(zhǎng)導(dǎo)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(yīng)室并向外釋放。 （2）廣屁步甲防御腺化學(xué)物質(zhì)由分泌腺產(chǎn)生，其成分主要為對(duì)苯二酚和過(guò)氧化氫，在貯液室內(nèi)混合并保存。當(dāng)受到刺激時(shí)，混合液進(jìn)入反應(yīng)室，在過(guò)氧化氫酶和過(guò)氧化物酶的作用下燃燒變成溫度高達(dá)100℃的苯醌類(lèi)混合液，并產(chǎn)生大量氧氣，形成巨大的推動(dòng)力、伴隨響聲噴射出體外；整個(gè)噴射過(guò)程是以脈沖的形式釋放。 （3）廣屁步甲通過(guò)特殊裝置向外噴射防御腺化學(xué)物質(zhì)時(shí)，有明確的方向選擇，防御腺化學(xué)物質(zhì)的點(diǎn)燃采取加入過(guò)氧化氫酶和過(guò)氧化物酶加速反應(yīng)的方式進(jìn)行。
獲獎(jiǎng)情況
- 作品在2009年5月在河北省廊坊市北華航天工業(yè)學(xué)院舉行的“挑戰(zhàn)杯”2009河北省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽上獲得河北省特等獎(jiǎng)。
鑒定結(jié)果
參考文獻(xiàn)
- 1. 任國(guó)棟,楊秀娟,印紅. 基于防御腺的中國(guó)琵甲族Blaptini系統(tǒng)發(fā)育研究. 昆蟲(chóng)學(xué)報(bào)，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(lèi)課題研究水平概述
- 國(guó)外研究 1.Rolland（1730）最先對(duì)昆蟲(chóng)噴射“炮彈”的行為進(jìn)行了描述和記載。此后雖然也有出現(xiàn)對(duì)于氣步甲防御腺的報(bào)道，但直到Aneshansley et al.（1969）才首次對(duì)該類(lèi)昆蟲(chóng)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(lèi)在氣步甲防御過(guò)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(duì)氣步甲進(jìn)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(yīng)的現(xiàn)象，并發(fā)表了論文闡明了相關(guān)的原理；Eisner et al.（1983）通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明氣步甲在噴射防御物質(zhì)時(shí)，溫度高可達(dá)到100℃；Jeffrey et al.（1990）利用熱敏電阻的特性，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明了氣步甲的防御噴射并不是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，而是一個(gè)脈沖式的過(guò)程；Eisner（1999）首次報(bào)道了1種產(chǎn)自非洲的屁步甲Stenaptinus insignis的防御行為，用攝像設(shè)備證實(shí)和記錄了其實(shí)施防御的過(guò)程：當(dāng)它受到外部刺激時(shí)，會(huì)從其腹部的末端噴射出1種熱的苯醌類(lèi)物質(zhì)，在噴射過(guò)程中調(diào)節(jié)自身的姿勢(shì)使其可以將防御化學(xué)物質(zhì)噴射到受刺激的腿上，能夠瞄準(zhǔn)幾乎可能的任何方向進(jìn)行噴射。 2.Brow（2001）通過(guò)氣相色譜和質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)對(duì)其防御液進(jìn)行了測(cè)定，共獲得28種化學(xué)物質(zhì)，它們屬于醌類(lèi)、炔類(lèi)和烴類(lèi)化合物。 3.Aneshansley（2002）通過(guò)對(duì)其化學(xué)成分的分析，測(cè)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。
