놀라운 폭탄먼지벌레 - Andy McIntosh 글, 이종헌 역

놀라운 폭탄먼지벌레

(The Amazing BOMBARDIER BEETLE)

 

 

Andy McIntosh 글, 이종헌 역

출처: creation magazine Vol. 42(2020), No. 2 pp.12-15

 

 

  

 

 

폭탄먼지벌레(그림 1을 보라)로 알려진 대단한 곤충은 예비 포식자를 격퇴하기 위해 뜨거운 스프레이를 방출하며 통상적으로 이긴다. 이 스프레이는 가성의 화학 물질과 뜨거운 물과 증기의 혼합물이며, 특수 노즐에서 분사되어 모든 방향으로 향할 수 있다!

 

그림 1. 아프리카 폭탄먼지벌레(Stenaptinus insignis)

 

 

SPECIAL DEFENCE WITH MOVEABLE TANK TURRET(가동 탱크 포탑을 가진 특수 방어)

 

폭탄먼지벌레(딱정벌레과 폭탄먼지벌레족/Carabidae brachinini)는 주로 아시아, 아프리카, 호주 및 미국의 일부와 같은 따뜻한 기후에서 발견된다. 그러나 그들은 또한 유럽에서도 발견되며 영국 남부에서도 작은 서식지가 목격되었다. 그들은 일반적으로 물에서 멀리 떨어지지 않으며 낮에는 바위 아래 숨어 있다.

 

폭탄먼지벌레의 화학적으로 가열된 증기와 유독 화학 물질의 혼합물은 뒤꽁무니에서(그림 2를 보라) 모든 방향으로 이동 가능한(심지어 뒤로 비틀어서 전방을 향하게 할 수 있는 – 그림 3을 보라) 특수 ‘포탑’을 통해 방출된다. 전체 시스템은 개미, 새, 거미 및 개구리와 같은 포식자를 격퇴하는 데 사용되며, 일반적으로 성공적으로 적을 기절시킨다.

 

 

그림 2. 개미 공격자에게 살포하는 폭탄먼지벌레

 

 

그림 3. 뒤로 불을 뿜는 것을 가능하게 하는 포탑을 과시하는 폭탄먼지벌레

 

 

HOW DOES IT DO THIS?(어떤 방식으로 이것을 행하는가?)

 

화학 물질은 연속 흐름으로 나오지 않는다. 1999년에 Tom Eisner 교수는 폭탄먼지벌레에 관한 독창적인 논문을 공동으로 작성했는데, 거기서 그는 카탈라아제와 퍼록시다제라는 두 개의 촉매가 있을 때 두 개의 화학물질 하이드로퀴논과 과산화수소를 결합하여 일련의 폭발이 일어난다는 것을 보여주었다.(1) (촉매제는 반응이 훨씬 빠르게 일어나게 하는데 반응의 과정에서 그것이 소모되지는 않는다.) 이 훌륭한 실험에서, Eisner는 밧줄로 묶인 아프리카 폭탄먼지벌레를 촬영한 다음 슬로우 모션으로 다시 재생했다. 이를 통해 그는 초당 약 500 번의 폭발이 발생했으며, 반복적으로 발사되는 기관총과 유사하게 각각 2-3 초간의 짧은 발사로 방출된 것을 보여주었다. 그것은 4-5번 반복적으로 이런 방출을 할 수 있으며, 이후에는 고갈된 화학 시스템을 복구하는 데 몇 분 정도 걸린다.

 

폭탄먼지벌레에서 자극을 받아 멋진 설계를 더 많이 발견해야 한다는 것을 깨달았다. Eisner와 토론한 결과 나는 영국 리즈 대학(Leeds University)에서 그것에 관한 작업을 시작했다. 우리는 이 폭발이 독특한 밸브 시스템에 의해 제어되는 것을 증명했는데, 여기서 높은 압력은 유입 밸브를 닫게 하고 유출 밸브를 열게 한다(그림 4를 보라). 이것은 거의 순간적으로 상당 부분의 액체(대부분 물)가 증기로 팽창하는 격렬한 증기 폭발(확 터지는 증발) 사건으로 이어진다. 주어진 질량의 증기는 같은 질량의 물 부피의 약 1,600 배를 차지하므로 이 분출은 가성의 화학 물질과 함께 많은 양의 남은 물을 운반하는 힘을 가진다. 그 분사(spray)는 약 20cm까지 미치는 것으로 나타났는데, 그것은 1mm 길이의 작은 연소실 크기의 약 200 배에 달한다.(2,3,4) (David Attenborough의 Life 시리즈(5)의 순서를 보라. 거기서 폭탄먼지벌레가 개미의 공격을 성공적으로 격퇴하는 것을 볼 수 있다.)

 

그림 4. 참고문헌 4의 p.30에 있는 원본을 가지고 재구성한 폭탄먼지벌레의 밸브 시스템 도표

*폭탄먼지벌레 연소

*open inlet tube(유입 튜브를 열다), chamber not under pressure(연소실이 압력을 받지 않는다), cuticle down and valve closed(표피가 내려가서 밸브가 닫힌다)

*pinching of inlet prevents more fuel entering(유입부를 집어서 더 이상의 연료가 들어오는 것을 막는다), chamber under pressure(연소실이 압력을 받는다), reaction occurs, heat produced and aqueous solution heats up(반응이 일어나고, 열이 발생하고, 물같은 용액이 뜨거워진다), cuticle down and valve closed(표피가 내려가서 밸브가 닫힌다), closed(닫힌다)

*ejection of hot pressurized solution(mainly water and steam)(압력을 받던 뜨거운 용액(주로 물과 증기)이 분출한다), cuticle up open(표피가 올라가고 열린다)

 

 

TINY COMBUSTION CHAMBER(작은 연소실)

 

폭탄먼지벌레의 후부를 해부함으로써 정교한 화학 방어 시스템에 대해 훨씬 더 자세히 볼 수 있었다. 두개의 화학 물질이 반응하기 전에, 그것들은 매우 얇은 튜브를 따라 함께 이동하는데 여기서 촉매가 분비되거나 혹은 결정형태로 있을 수 있다.

 

촉매인 카탈라아제 및 퍼록시다제가 과산화수소 및 하이드로퀴논에 작용한다. 그러면 과산화수소는 물/증기로 변환되어, 모든 과산화수소 분자에 대해 산소 원자를 유리시킨 다음 이것이 하이드로퀴논에서 방출 된 수소 분자와 결합한다. 강한 수소/산소 반응으로 인한 열로 인해 나머지 화학 물질이 반응하고 증기가 팽창함으로써 수증기가 폭발한다.

 

밸브 시스템은 수동 응답 시스템이어서 밸브는 압력 변화에 의해 작동한다. 연소실이 비었을 때 (위의 그림 4, 왼쪽 패널을 보라) 대기압에서, 유입 튜브가 열려 반응물질이 연소실로 들어가게 하고 막피(membrane)가 튜브의 아랫부분을 막아서 출구 튜브가 닫힌다. 연소실이 가득 차고 화학 물질이 반응하면(그림 4 중간을 보라) 권투 글러브와 같은 모양의 연소실 말단이 유입 튜브를 집어서 닫는다. 연소실 내 화학 반응이 진행됨에 따라, 열이 발생하고 연소실 내 압력이 증가하면 막피가 힘을 받아서 출구 튜브의 바닥 근처가 열리게 된다(그림 4 오른쪽을 보라).

 

연소실 자체에 대한 초기 조사에 따르면, 연소실 구조는 폭탄먼지벌레가 자기 자신을 폭발하지 않도록 특수한 내열 재료로 되어 있음을 시사한다. 연소실 자체 뿐 아니라 연소실에 들어가고 나가는 튜브는 폭탄먼지벌레의 소화계통과 완전히 분리되어 있다.

 

뜨거운 유체가 발사되면 연소실 내의 압력이 떨어지고 유입부가 다시 열림으로써 연소실 내로 더 많은 반응물이 들어오도록 허용하며, 모든 반응물이 배출될 때까지 그 과정이 반복된다.

 

이 과정을 ‘맥동 연소/pulse combustion’라고 하며 일부 엔진에서 추력을 주기 위해 사용된다. 이에 대한 가장 악명 높은 예는 1944년 제2차 세계대전에서 히틀러가 런던과 영국 남부 카운티를 상대로 사용한 V1 ‘Doodlebug/개미귀신’ 비행폭탄이다(그림 5를 보라). V1의 경우, 연료는 공기 중에서 연소하는 휘발유(가솔린)였다. 그 당시 폭탄먼지벌레가 추진용이 아니라 공격자에게 살포하는 용도로 이미 그와 비슷한 연소 시스템을 사용하고 있다는 것을 아는 사람이 거의 없었다!

 

그림 5. ‘Doodlebug/개미귀신’이라는 별명을 가진 나치 독일의 V1 비행 폭탄은 폭탄먼지벌레에 있는 것과 유사한 맥동 연소로 구동되었다.

 

 

BIOINSPIRATION FROM THE BOMBARDIER BEETLE(폭탄먼지벌레로부터의 생물학적 영감)

 

리즈 대학(University of Leeds)에서 시작된 연구를 통해 우리는 폭탄먼지벌레가 사용하는 기술을 기반으로 스프레이 시스템을 개발할 수 있었다. 창조에 대한 믿음이 연구의 문을 닫는다는 주장과는 달리, 폭탄먼지벌레의 연소실은 나로 하여금 이러한 연구조사를 하게끔 설계되었다는 것이 나의 틀림없는 확신이었다!

 

우리가 이해해야 할 설계의 특징이 있다는 것이 분명했다. 그리고 이것은 스프레이 설비의 특허로까지 이끌었는데, 그것은 특수한 연소실(폭탄먼지벌레 연소실의 약 20배 크기)에서 물을 가열하는 설비로써 거기서 유입과 유출 밸브는 지정된 시간에 열리고 닫히도록 전자적으로 제어된다. 우리는 폭탄먼지벌레와 마찬가지로 밸브를 특수하게 설정하면 우리가 사용하는 가열실 2cm 길이의 대략 200배인 최대 거리 약 4 미터까지 스프레이를 발사할 수 있음을 발견했다!

 

 

COPYING BEETLE DESIGN WINS AWARD(폭탄먼지벌레의 설계를 베껴서 상을 받다)

 

우리의 설계에는 화학적 가열을 사용하는 폭탄먼지벌레의 수동 시스템과 달리 화학물질을 사용하지 않는 능동 제어 시스템을 가지고 있다. 그러나 밸브 시스템 자체는 폭탄먼지벌레가 사용하는 것과 매우 유사하며 시작품(prototypes) 중 하나를 나타냈다(그림 6을 보라). 2010 년에는 혁신과 기술에 가장 크게 기여한 공로로 우리의 연구가 타임즈 고등교육(Times Higher Education) 상을 수상했다. 그것은 자동차 및 트럭 엔진의 연료 인젝터용 스프레이 시스템 개발에 이미 사용되고 있다. 이 발명품은 산불에 대처할 수 있는 소화기를 위해 활발하게 개발되고 있으며 상당한 거리에서 증기를 쏘는 큰 이점을 갖고 있다. 물방울이 미세하게 분사 된 증기는 화재 근처의 산소를 제거하기 때문에 목재 화재에 특히 효과적이다. 다른 가능한 용도는 약물을 흡입하는 데 어려움이 있는 사람들을 위한 약제 스프레이 및 방향제 등이다.

 

그림 6. 폭탄먼지벌레에 근거한, 작은 방울의 물과 증기를 분사하기 위한 실험용 시작품.

 

 

ROADBLOCK TO EVOLUTION(진화론에 대한 방책)

 

연소와 관련된 모든 시스템은 연소가 위험하므로 매우 신중하게 설계해야 한다! 그리고 연소 시스템은 모든 설계 기능이 제 위치에 있지 않으면 작동하지 않을 것이므로 이는 명백히 환원 불가능한 복잡성의 한 예이다. 즉, 이것은 단계적으로 진화할 수 없었음을 의미하는데, 부분적으로 진화 된 시스템은 아무런 장점도 제공하지 않기 때문이다. 사실 그것은 생물의 생존에 방해가 되고 자연선택에 의해 제거 될 것이다!

 

폭탄먼지벌레 연구에서 발생하는 질문 중 답변하지 않은 몇 가지는 다음과 같다: 촉매제는 어떤 형태인가? 폭탄먼지벌레는 공격 방향을 어떻게 감지하는가? 배출을 지시하는 가동 포탑은 어떻게 작동하는가? 과산화수소와 하이드로퀴논 화학 물질은 어떻게 생산되는가? 그러나 우리가 이해하고 있는 폭탄먼지벌레의 화학작용, 연소 메커니즘 및 트윈 밸브 시스템의 상호 의존성만으로도 그것이 뛰어난 공학적 설계임을 나타낸다!

 

 

REFERENCES AND NOTES(참고문헌과 주석)

 

1. Eisner, T. and Aneshansley, D.J., Spray aiming in the bombardier beetle: photographic evidence, Proc. National Academy of Sciences (USA) 96(17): 9705–9709, 17 Aug 1999.

2. Beheshti, N. and McIntosh, A.C., The bombardier beetle and its use of a pressure relief valve system to deliver a periodic pulsed spray, Bioinspiration and Biomimetics (Inst of Physics), 2:57–64, 2007.

3. McIntosh, A.C., Combustion, fire, and explosion in nature—some biomimetic possibilities, Proc. IMechE Part C: J. Mechanical Engineering Science 221: 1157–1163, 1 Oct 2007.

4. McIntosh, A.C. and Beheshti, N., Insect inspiration, Physics World 21(4):29–31, 2008.

5. BBC Life, series 6 ‘Insects’, Martha Holmes, Rupert Barrington, David Attenborough (narrator), 2009.

 

 

ANDY McINTOSH Ph.D., D. Sc.

Dr McIntosh is Emeritus Professor of Thermodynamics at the University of Leeds, UK where he has lectured and researched in combustion theory, aerodynamics, mathematics and engineering. His work has also included investigations into the fundamental link between thermodynamics and information. He speaks and writes widely on origins and has authored or co­authored several creationist books. For more: creation.com/andy­mcintosh.

 

 

*이 기사는 저자가 Dr Stuart Burgess와 공동으로 저술하고 Brian Edwards가 편집한 책 “Wonders of Creation/경이로운 창조: 타락한 세상에서의 설계”(Creation.com/s/10-2-627 (NZ, UK, SA) 및 creation.com/10-2-661(AU, US, CA))에서 저자가 기여한 부분을 각색한 것이다.