放屁蟲為什麼能從屁股噴出滾燙的氣體？
― 牠用的酵素，和傷口塗雙氧水會冒泡的是同一種
用手指一捏，「噗」的一聲，指尖頓時感到灼熱。放屁蟲噴出的是將近100℃的液體。蟲的身體裡沒有火，也沒有電池。牠用的，其實是我們的血液裡也有的一種「酵素」。
夏末到秋天的夜晚，你翻開田邊的一塊石頭，一隻黃黑相間的斑紋小蟲跑了出來。體長約1.5公分。一把捏起牠的瞬間，伴隨著小小的爆裂聲，有什麼東西噴到了手指上。
指尖又刺又熱，事後一看，皮膚被染成了褐色。刺鼻的氣味也留在鼻腔裡。這就是被稱為「放屁蟲」的三井寺步甲。
另一方面，小時候膝蓋擦傷，塗上雙氧水後冒出白色泡泡——你是否有這樣的記憶？這兩個場景，其實是由同一個化學反應串連起來的。
能噴出滾燙氣體的理由，只有兩個
產生熱量的原料液，靜靜地存放在腹部的袋子裡。不混合就什麼也不會發生。只有在送進出口前的小房間那一瞬間，才會產生熱。
小房間的牆壁會分泌出能讓反應快上好幾個數量級的酵素。同類的酵素，人的血液和肝臟裡也有，雙氧水的泡泡就是它的功勞。
人和蟲擁有同樣的工具，不同的是用法。人用這種酵素在體內默默地打掃，放屁蟲則把它當成武器噴出去。接下來依序來看。
理由1：混合瞬間才發熱的「兩個房間機制」
放屁蟲的腹部末端有大小兩個房間。請看圖1。左邊的大袋子裡存放著過氧化氫溶液和另一種原料。過氧化氫，就是雙氧水的成分。
在這個袋子裡，液體很平靜，因為過氧化氫只會緩慢地分解。袋子和小房間之間，有一個靠肌肉開關的閥門。
一遇到敵人攻擊，閥門打開，原料流進右邊的小房間。一碰到小房間牆壁分泌的酵素，過氧化氫就一口氣分解。產生氧氣和大量的熱，液體熱到沸騰的溫度。被膨脹的氣體推著，液體從出口「噗」地飛出去。
噴射並不是一次長長的噴出。用高速攝影機拍下來，發現是每秒數百次的小噴射連在一起。小房間受熱被撐開時閥門關上，噴出後壓力下降，原料又流進來。就這樣不斷重複。一般認為，這樣一點一點地噴，可以避免自己的身體過熱。
理由2：同一種酵素，也在你的體內工作
小房間裡的主角之一，是過氧化氫酶（catalase）。它的工作是把過氧化氫分解成水和氧氣。這種酵素在人的血液和肝臟裡含量豐富。
傷口塗雙氧水會冒泡，是因為傷口血液裡的過氧化氫酶把過氧化氫分解，產生了氧氣泡泡。塗在乾淨的皮膚上，就不太會冒泡。
那麼，人體為什麼會有這種酵素呢？其實，我們的細胞在呼吸和代謝的同時，會一點一點地產生過氧化氫。放著不管會傷害細胞，所以過氧化氫酶會馬上把它分解掉。據說一個酵素每秒能分解數百萬個過氧化氫，是已知最快的酵素之一。
在人體裡，過氧化氫非常稀薄，一產生就被清掉，所以不會發熱。放屁蟲正好相反，牠把濃的過氧化氫裝滿一整個袋子，一次讓它碰上酵素。同樣的反應，只要改變量和速度，打掃就變成了武器。
要多濃才能達到沸騰呢？請用圖2的滑桿改變過氧化氫的濃度看看。以雙氧水的濃度（約3％）來說，就算熱完全不散失，也只會升到40℃左右。放屁蟲袋子裡的濃度據說約25％，沸騰之後熱量還有剩。
神戶大學的研究者做過讓蟾蜍吃三井寺步甲的實驗。結果，被吞下的蟲會在胃裡噴射，蟾蜍有時會把蟲吐出來。被吐出來的約占四成，快的12分鐘，慢的要100分鐘以上。吐出來的蟲，大多就這樣走開了。
噴射液含有會刺激皮膚、把皮膚染成褐色的成分。最好的辦法是不要徒手去抓。萬一被噴到，不要搓揉，用水和肥皂沖洗乾淨。如果進了眼睛，請立刻用水沖洗並去看眼科。
總結
放屁蟲把過氧化氫等原料存放在大袋子裡，打開閥門送進小房間。一碰到小房間的酵素，過氧化氫就一口氣分解，產生足以沸騰的熱和氣體。同類的酵素人體也有，平常默默地扮演保護細胞的清潔員。
打掃的工具，改變濃度和速度就能變成武器。
放屁蟲，就是把雙氧水的泡泡變成「100℃一擊」的蟲。
傷口裡發生的事，請見切傷是怎麼癒合的？；蟲如何靠化學反應發光，則在螢火蟲的文章中也有介紹。
- 準備兩個小杯子，一個放生馬鈴薯薄片，另一個放煮熟的馬鈴薯。
- 各倒入約一茶匙的雙氧水，比較冒泡的情形。
- 如果只有生的那杯猛烈冒泡，那就是酵素的作用。加熱會破壞酵素，所以幾乎不會冒泡。
請小心別讓雙氧水進入眼睛，做完後用水沖掉再丟棄。如果有溫度計，也可以量量看溫度。濃度只有約3％，熱還會散失，所以幾乎不會變溫熱。由此就能體會放屁蟲的液體有多濃。
想知道更多 ― 用語・算式・與課本的連結明確標示這是從國中理化到大學專業課程的哪一個層級
- 國中國中理化會學到的範圍
- 高中高中「化學」「生物」會學到的範圍
- 高中＋高中的進階內容，或課本專欄的內容
- 大學高中不會學，大學專業課程（生物化學・化學熱力學）的內容
- 研究連大學也不當成「定論」來教，目前研究者還在探索的內容
國中用語：這個現象有名字
- 過氧化氫的分解：過氧化氫分解成水和氧氣的反應。國中會在加入二氧化錳來收集氧氣的實驗中學到。
- 催化劑與酵素：自己不變、卻能加快反應的物質就是催化劑。生物製造的蛋白質催化劑稱為酵素，過氧化氫酶就是其中之一。
- 放熱反應：反應進行時放出熱、使周圍溫度上升的反應。過氧化氫的分解就是代表。
- 三井寺步甲：日本具代表性的「放屁蟲」。屬於屁步甲類，據說世界上有數百種蟲擁有相同的噴射機制。
國中高中用算式確認：1 g液體真的能到沸騰嗎
假設從袋子裡取出1 g液體，讓它一次分解。假設熱不會散到外面，計算溫度會升到多高。這裡不計入另一種原料放出的熱，只用過氧化氫的部分來估算。
| 用符號寫 | Q ＝ m × w × h ／ ΔT ＝ Q ÷ ( m × c ) |
| 用文字寫 | 放出的熱 ＝ 液體量 × 過氧化氫的比例 × 每1 g的分解熱。上升的溫度 ＝ 放出的熱 ÷ (液體量 × 比熱) |
| 這個式子從哪來 | 能量守恆。是假設反應放出的熱全部用來加熱液體的平衡式。超過100℃的部分，會用來把水變成蒸氣（汽化熱）。 |
| 符號 | 意義與單位 |
|---|---|
| Q | 放出的熱（J，焦耳） |
| m | 液體量（g） |
| w | 液體中過氧化氫的比例（重量比） |
| h | 1 g過氧化氫分解時放出的熱（J/g） |
| c | 液體的比熱。視同水，為 4.2 J/(g・℃) |
| ΔT | 上升的溫度（℃） |
| 1 mol過氧化氫分解放出的熱 | 據說約 98000 J |
| 1 mol過氧化氫的重量 | 34 g |
| 袋子裡過氧化氫的比例 | 據說約25％（1969年的分析） |
| 起始溫度 | 20℃ |
| 把1 g水變成蒸氣的熱 | 約 2260 J |
| 每1 g的分解熱 h | 98000 ÷ 34 ≒ 2882 J/g |
| 1 g液體中的過氧化氫 | 1 × 0.25 ＝ 0.25 g |
| 放出的熱 Q | 0.25 × 2882 ≒ 721 J |
| 1 g液體的「容熱量」（m × c） | 1 × 4.2 ＝ 4.2 J/℃ |
| 理論上升的溫度 ΔT | 721 ÷ 4.2 ≒ 172 ℃ |
| 從20℃加熱到100℃所需的熱 | 4.2 × 80 ＝ 336 J |
| 沸騰後剩餘的熱 | 721 － 336 ＝ 385 J |
| 這些熱能變成蒸氣的水 | 385 ÷ 2260 ≒ 0.17 g |
算出來是從20℃升高172℃。實際上到100℃就開始沸騰，剩餘的熱讓約六分之一的液體變成蒸氣。噴射液幾乎是100℃，就是因為這個「沸騰上限」。
| 雙氧水中過氧化氫的比例 | 約3％ |
| 1 g液體放出的熱 | 0.03 × 2882 ≒ 86 J |
| 上升的溫度 | 86 ÷ 4.2 ≒ 20 ℃ |
| 沸騰所需的比例 | 336 ÷ 2882 ≒ 0.117 |
雙氧水就算熱不散失也只升約20℃，停在約41℃。要達到沸騰，濃度需要約12％以上，也就是說放屁蟲存放的濃度約是它的2倍。
高中高中＋反應熱，與酵素加速的意義
高中高中化學會把過氧化氫的分解當作反應熱（焓變）的例子來學。生物則把過氧化氫酶當作「有最適溫度的酵素」的例子。生肝或蔬菜會冒泡、煮過就不冒泡，是因為熱讓蛋白質的形狀崩解，也就是「變性」。
高中＋酵素不會改變反應放出的熱量，改變的只有「進行的速度」。沒有催化劑的話，過氧化氫要花好幾個月慢慢分解，熱每次都散掉了。靠酵素在極短的時間內分解，熱量才能在散失前累積起來，達到沸騰。是速度本身造成了高溫。另一種原料（氫醌類）會被另一種酵素——過氧化物酶（peroxidase）——氧化成苯醌類，這就是刺激感和褐色的來源。這個反應也會放熱，使噴射更燙。
大學酵素的速度，與脈動的噴射
過氧化氫酶的轉換數（1個分子每秒能分解的受質數）據說可達數百萬，是反應速度幾乎由受質擴散決定的「擴散限制」酵素的代表。酵素反應的速度可以用米氏方程式（Michaelis–Menten equation）來整理。噴射的脈動，被認為與工程上的脈衝燃燒（脈衝噴射引擎）機制非常相似，1990年有人用高速攝影報告了這一點。2015年，用同步輻射X光拍下活蟲的體內，顯示閥門被壓力被動關閉，脈動便自然持續下去。
📖 算式的推導與更進階的內容：過氧化氫酶（維基百科，日文） ／ 比熱容（維基百科，日文）
研究目前還不清楚的事
- 這個兩房間機制是如何演化出來的？ 有些近緣的蟲只有儲存原料的袋子，一般認為是一步步變複雜的。但到底是依什麼順序加上了什麼，仍在討論。
- 小房間的牆壁為什麼能承受自己的熱？ 已知小房間內側襯有堅硬的膜，但能承受反覆噴射的機制細節還在研究中。
- 噴射速度與方向的調節。 據說轉動腹部末端，幾乎可以瞄準任何方向。不同種類的噴射形狀為什麼不同，目前還不十分清楚。
也就是說，這篇文章的內容也只是「就目前所知範圍的說明」。上面的計算，也是省略了另一種原料放出的熱，以及散到身體的熱的估算。
與課本的連結（依層級）
| 層級 | 科目・單元 | 本文的哪裡 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化：氧氣的產生、化學變化與熱 | 過氧化氫分解後產生氧氣和熱 |
| 高中 | 化學：反應熱／生物：酵素 | 分解熱的計算、過氧化氫酶與變性 |
| 高中＋ | 化學：反應速率與催化劑 | 因為進行得快，所以熱會累積的看法 |
| 大學 | 生物化學：酵素反應動力學 | 轉換數、擴散限制、脈動噴射 |
| 研究 | 演化生物學・生物力學 | 兩房間機制的演化、耐熱機制 |
| ― | 與生活的連結 | 傷口上雙氧水的泡泡、碰到放屁蟲時的處理 |
- 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.
- ミイデラゴミムシ（ウィキペディア，三井寺步甲，維基百科日文版）
※本文是為一般讀者撰寫的科學解說。文中數值是為了理解機制的參考值與概算。使用雙氧水的觀察請在大人陪同下進行，不要讓它進入眼睛或嘴巴。若蟲的噴射液進入眼睛，或皮膚異常持續，請諮詢醫療機構。