Comment le bombardier peut-il expulser un gaz brûlant par l’arrière ?
― Il utilise la même enzyme que celle qui fait mousser l’eau oxygénée sur une plaie
On le pince entre les doigts : « pouf ! », et le bout des doigts devient brûlant. Le bombardier projette un liquide proche de 100 °C. Dans son corps, ni flamme ni pile. Il se sert d’une enzyme que l’on trouve aussi dans notre sang.
Une nuit d’été ou d’automne, vous retournez une pierre au bord d’un champ. Un insecte jaune et noir, tacheté, détale. Il mesure environ 1,5 centimètre. Dès que vous le saisissez, un petit bruit d’éclatement retentit, et quelque chose vous éclabousse les doigts.
Le bout des doigts picote, brûlant. Plus tard, la peau est teintée de brun. Une odeur âcre reste dans le nez. C’est le « bombardier », le carabe Pheropsophus jessoensis.
Par ailleurs, enfant, vous avez peut-être mis de l’eau oxygénée sur une écorchure et vu une mousse blanche bouillonner. Ces deux scènes sont reliées par une seule et même réaction chimique.
Deux raisons seulement expliquent ce gaz brûlant
Le liquide qui produira la chaleur dort tranquillement dans une poche de l’abdomen. Sans mélange, rien ne se passe. La chaleur n’apparaît qu’au moment où il est envoyé dans une petite chambre, juste avant la sortie.
La paroi de la petite chambre sécrète une enzyme qui accélère la réaction de façon spectaculaire. Une enzyme du même type existe dans le sang et le foie humains : c’est elle qui fait mousser l’eau oxygénée.
L’humain et l’insecte possèdent le même outil. Seul l’usage diffère. Nous l’employons pour nettoyer discrètement l’intérieur de notre corps ; le bombardier, lui, en fait une arme. Voyons cela pas à pas.
Raison 1 : le « système à deux pièces », chaud seulement au moment du mélange
Au bout de l’abdomen du bombardier se trouvent deux pièces, une grande et une petite. Regardez la figure 1. La grande poche, à gauche, contient un liquide, le peroxyde d’hydrogène, et un autre réactif. Le peroxyde d’hydrogène est le composant de l’eau oxygénée.
Dans cette poche, le liquide reste calme, car le peroxyde d’hydrogène ne se décompose que très lentement. Entre la poche et la petite chambre, une valve s’ouvre et se ferme grâce à des muscles.
Quand un ennemi attaque, la valve s’ouvre et les réactifs coulent vers la petite chambre, à droite. Au contact de l’enzyme sécrétée par la paroi, le peroxyde d’hydrogène se décompose d’un coup. Il se forme du gaz oxygène et beaucoup de chaleur, et le liquide monte jusqu’à ébullition. Poussé par le gaz qui se dilate, le liquide jaillit de la sortie avec un « pouf ».
Le jet n’est pas un long jet continu. Filmé à la caméra rapide, il se révèle formé de centaines de petites projections par seconde. La chaleur écarte la petite chambre et la valve se ferme ; le liquide est expulsé, la pression retombe, et les réactifs entrent de nouveau. Le cycle se répète. En projetant par petites saccades, l’insecte éviterait de surchauffer son propre corps.
Raison 2 : la même enzyme travaille aussi dans votre corps
L’un des acteurs principaux de la petite chambre est une enzyme, la catalase. Son métier : couper le peroxyde d’hydrogène en eau et en oxygène. Elle est abondante dans le sang humain comme dans le foie.
Si l’eau oxygénée mousse sur une écorchure, c’est parce que la catalase du sang de la plaie décompose le peroxyde d’hydrogène et fabrique des bulles d’oxygène. Sur une peau intacte, il se forme à peine de mousse.
Pourquoi notre corps possède-t-il cette enzyme ? Parce que nos cellules produisent, au fil de la respiration et du métabolisme, un peu de peroxyde d’hydrogène. Laissé en place, il abîmerait les cellules ; la catalase le décompose aussitôt. Une seule molécule d’enzyme décomposerait plusieurs millions de molécules de peroxyde d’hydrogène par seconde : c’est l’une des enzymes les plus rapides connues.
Dans le corps humain, le peroxyde d’hydrogène est très dilué et éliminé à mesure qu’il apparaît. Rien ne chauffe donc. Le bombardier fait l’inverse : il remplit sa poche de peroxyde d’hydrogène concentré et le met d’un coup au contact de l’enzyme. Avec la même réaction, en changeant seulement la quantité et la vitesse, le nettoyage devient une arme.
Quelle concentration faut-il pour atteindre l’ébullition ? Faites varier la concentration en peroxyde d’hydrogène avec le curseur de la figure 2. À la concentration de l’eau oxygénée (environ 3 %), même sans aucune perte de chaleur, on n’atteint qu’environ 40 °C. La poche du bombardier en contiendrait environ 25 % : l’ébullition est atteinte, et il reste même de la chaleur en trop.
Un chercheur de l’université de Kobe a fait avaler des bombardiers à des crapauds. Les insectes avalés ont projeté leur liquide dans l’estomac, et le crapaud les a parfois recrachés. Environ 4 sur 10 ont été rejetés, après 12 minutes pour les plus rapides, plus de 100 minutes pour les plus lents. La plupart des insectes rejetés sont repartis en marchant.
Le liquide projeté contient des composés qui irritent la peau et la teintent en brun. Le mieux est de ne pas saisir l’insecte à mains nues. En cas d’éclaboussure, ne frottez pas : lavez à l’eau et au savon. Si le liquide atteint l’œil, rincez immédiatement à l’eau et consultez un ophtalmologue.
En résumé
Le bombardier stocke le peroxyde d’hydrogène et d’autres réactifs dans une grande poche, puis ouvre une valve pour les envoyer dans une petite chambre. Au contact de l’enzyme, le peroxyde d’hydrogène se décompose d’un coup et libère assez de chaleur et de gaz pour atteindre l’ébullition. Une enzyme du même type existe dans notre corps, où elle travaille discrètement comme agent de nettoyage protégeant les cellules.
Un outil de nettoyage devient une arme si l’on change la concentration et la vitesse.
Le bombardier a transformé la mousse de l’eau oxygénée en « coup de 100 °C ».
Ce qui se passe dans une plaie est expliqué dans Comment une coupure se referme-t-elle ? ; la façon dont un insecte fabrique de la lumière par réaction chimique est abordée dans l’article sur la luciole.
- Préparez deux petits verres : dans l’un, une tranche fine de pomme de terre crue ; dans l’autre, une tranche de pomme de terre cuite.
- Versez dans chacun environ une cuillère à café d’eau oxygénée et comparez la mousse.
- Si seul le verre de pomme de terre crue mousse abondamment, c’est l’œuvre de l’enzyme. La cuisson détruit l’enzyme, et il n’y a presque pas de bulles.
Évitez tout contact de l’eau oxygénée avec les yeux, et rincez à l’eau avant de jeter. Si vous avez un thermomètre, mesurez aussi la température. À environ 3 %, et avec les pertes de chaleur, le mélange ne se réchauffe presque pas. On mesure ainsi à quel point le liquide du bombardier est concentré.
Pour aller plus loin ― termes, formules et lien avec les manuelsDu collège à l’université : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de « chimie » et de « biologie » du lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée ou encadré de manuel
- UniversitéMatières universitaires non vues au lycée (biochimie, thermodynamique chimique)
- RechercheSujets encore étudiés, non enseignés comme acquis, même à l’université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a des noms
- Décomposition du peroxyde d’hydrogène : réaction où il se sépare en eau et en oxygène. Au collège, on la rencontre en recueillant l’oxygène avec du dioxyde de manganèse.
- Catalyseur et enzyme : un catalyseur accélère une réaction sans être modifié. Un catalyseur protéique fabriqué par les êtres vivants s’appelle une enzyme ; la catalase en est une.
- Réaction exothermique : réaction qui dégage de la chaleur et réchauffe l’environnement. La décomposition du peroxyde d’hydrogène en est un exemple typique.
- Pheropsophus jessoensis : le « bombardier » typique du Japon. Dans le monde, plusieurs centaines d’espèces de carabes ont le même mécanisme de projection.
CollègeLycéeVérifier par le calcul : 1 g de liquide atteint-il vraiment l’ébullition ?
Prenons 1 g du liquide de la poche et supposons qu’il se décompose d’un coup. Sans perte de chaleur, jusqu’où monte la température ? On ne compte pas la chaleur de l’autre réactif : l’estimation ne porte que sur le peroxyde d’hydrogène.
| En symboles | Q ＝ m × w × h ／ ΔT ＝ Q ÷ ( m × c ) |
| En mots | Chaleur libérée = masse de liquide × proportion de peroxyde d’hydrogène × chaleur de décomposition par gramme. Élévation de température = chaleur libérée ÷ (masse de liquide × chaleur massique) |
| D’où vient cette formule ? | De la conservation de l’énergie : on suppose que toute la chaleur de la réaction sert à réchauffer le liquide. Au-delà de 100 °C, la chaleur restante sert à transformer l’eau en vapeur (chaleur de vaporisation). |
| Symbole | Sens et unité |
|---|---|
| Q | Chaleur libérée (J, joule) |
| m | Masse de liquide (g) |
| w | Proportion de peroxyde d’hydrogène dans le liquide (en masse) |
| h | Chaleur dégagée par la décomposition de 1 g de peroxyde d’hydrogène (J/g) |
| c | Chaleur massique du liquide, prise égale à celle de l’eau : 4,2 J/(g・°C) |
| ΔT | Élévation de température (°C) |
| Chaleur dégagée par la décomposition de 1 mol de peroxyde d’hydrogène | environ 98000 J |
| Masse de 1 mol de peroxyde d’hydrogène | 34 g |
| Proportion de peroxyde d’hydrogène dans la poche | environ 25 % (analyse de 1969) |
| Température initiale | 20 °C |
| Chaleur pour vaporiser 1 g d’eau | environ 2260 J |
| Chaleur de décomposition par gramme h | 98000 ÷ 34 ≒ 2882 J/g |
| Peroxyde d’hydrogène dans 1 g de liquide | 1 × 0.25 ＝ 0.25 g |
| Chaleur libérée Q | 0.25 × 2882 ≒ 721 J |
| Capacité thermique de 1 g de liquide (m × c) | 1 × 4.2 ＝ 4.2 J/°C |
| Élévation théorique ΔT | 721 ÷ 4.2 ≒ 172 °C |
| Chaleur pour passer de 20 °C à 100 °C | 4.2 × 80 ＝ 336 J |
| Chaleur restante après l’ébullition | 721 － 336 ＝ 385 J |
| Eau vaporisée par cette chaleur | 385 ÷ 2260 ≒ 0.17 g |
Le calcul donne une hausse de 172 °C depuis 20 °C. En réalité, l’ébullition commence à 100 °C et la chaleur restante vaporise environ un sixième du liquide. Si le jet est à peu près à 100 °C, c’est à cause de ce « plafond de l’ébullition ».
| Proportion de peroxyde d’hydrogène de l’eau oxygénée | environ 3 % |
| Chaleur libérée par 1 g de liquide | 0.03 × 2882 ≒ 86 J |
| Élévation de température | 86 ÷ 4.2 ≒ 20 °C |
| Proportion nécessaire pour l’ébullition | 336 ÷ 2882 ≒ 0.117 |
Même sans perte de chaleur, l’eau oxygénée ne gagne qu’environ 20 °C et s’arrête vers 41 °C. Pour atteindre l’ébullition, il faut une concentration d’au moins 12 % environ ; le bombardier en stocke à peu près le double.
LycéeLycée+Chaleur de réaction et rôle de l’accélération par l’enzyme
LycéeEn chimie au lycée, la décomposition du peroxyde d’hydrogène sert d’exemple de chaleur de réaction (variation d’enthalpie). En biologie, la catalase illustre l’« enzyme à température optimale ». Si le foie ou les légumes crus font des bulles et pas une fois bouillis, c’est que la chaleur déforme les protéines : on parle de « dénaturation ».
Lycée+Une enzyme ne change pas la quantité de chaleur dégagée. Elle ne change que la vitesse. Sans catalyseur, le peroxyde d’hydrogène se décompose en plusieurs mois, et la chaleur s’échappe au fur et à mesure. Avec l’enzyme, la décomposition est si brève que la chaleur s’accumule avant de se perdre et atteint l’ébullition. C’est la vitesse elle-même qui produit la chaleur. L’autre réactif (des hydroquinones) est oxydé par une autre enzyme, la peroxydase, en benzoquinones, responsables de l’irritation et de la couleur brune. Cette réaction dégage aussi de la chaleur et contribue à rendre le jet brûlant.
UniversitéVitesse de l’enzyme et jet pulsé
Pour la catalase, le nombre de substrats qu’une molécule peut transformer par seconde (nombre de rotation) atteint plusieurs millions ; c’est une enzyme typique proche du régime « limité par la diffusion », où la vitesse est presque fixée par la diffusion du substrat. La vitesse des réactions enzymatiques s’organise par l’équation de Michaelis-Menten. La pulsation du jet ressemble beaucoup, en ingénierie, à la combustion pulsée (pulsoréacteur), ce qu’un travail de 1990 a montré par imagerie rapide. En 2015, des rayons X de rayonnement synchrotron ont filmé l’intérieur d’insectes vivants : la valve se ferme passivement sous la pression, ce qui entretient naturellement la pulsation.
📖 Démonstrations des formules et sujets plus avancés : Catalase (Wikipédia en japonais) ／ Capacité thermique massique (Wikipédia en japonais)
RechercheCe qui n’est pas encore bien compris
- Comment ce système à deux pièces a-t-il évolué ? Certains proches parents n’ont que la poche de stockage ; on pense que le système s’est complexifié par étapes. Mais dans quel ordre chaque élément est apparu, le débat continue.
- Pourquoi la paroi de la chambre résiste-t-elle à sa propre chaleur ? On sait que la chambre est tapissée d’une membrane dure, mais les détails de sa résistance aux jets répétés sont encore à l’étude.
- Le réglage de la vitesse et de la direction du jet. L’insecte oriente le bout de son abdomen et peut viser presque dans toutes les directions. Pourquoi la forme du jet varie selon les espèces reste mal compris.
Le contenu de cet article reste donc « une explication dans l’état actuel des connaissances ». Le calcul ci-dessus est aussi une estimation qui néglige la chaleur de l’autre réactif et celle qui s’échappe vers le corps.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : production d’oxygène, transformations chimiques et chaleur | Le peroxyde d’hydrogène se décompose en oxygène et chaleur |
| Lycée | Chimie : chaleur de réaction / Biologie : enzymes | Calcul de la chaleur de décomposition, catalase et dénaturation |
| Lycée+ | Chimie : vitesse de réaction et catalyseurs | La chaleur s’accumule parce que la réaction est rapide |
| Université | Biochimie : cinétique enzymatique | Nombre de rotation, régime limité par la diffusion, jet pulsé |
| Recherche | Biologie évolutive, biomécanique | Évolution du système à deux pièces, résistance à la chaleur |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Mousse de l’eau oxygénée sur une plaie, soins après contact avec un bombardier |
- Aneshansley, D. J., Eisner, T., Widom, J. M., Widom, B. (1969) Biochemistry at 100°C: Explosive secretory discharge of bombardier beetles (Brachinus). Science 165: 61–63.
- Dean, J., Aneshansley, D. J., Edgerton, H. E., Eisner, T. (1990) Defensive spray of the bombardier beetle: a biological pulse jet. Science 248: 1219–1221.
- Arndt, E. M., Moore, W., Lee, W.-K., Ortiz, C. (2015) Mechanistic origins of bombardier beetle (Brachinini) explosion-induced defensive spray pulsation. Science 348: 563–567.
- Sugiura, S., Sato, T. (2018) Successful escape of bombardier beetles from predator digestive systems. Biology Letters 14: 20170647.
- Pheropsophus jessoensis, article de Wikipédia en japonais (ミイデラゴミムシ)
※ Cet article est une vulgarisation scientifique pour le grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur et des estimations destinés à comprendre le mécanisme. Réalisez les observations avec de l’eau oxygénée en présence d’un adulte et ne la mettez ni dans les yeux ni dans la bouche. Si le liquide de l’insecte atteint l’œil ou si une anomalie de la peau persiste, consultez un professionnel de santé.