Hvepse og brændenælder følger universel formel: Det perfekte stik

Virus bruger samme opskrift

Naturen er spækket med spidse genstande, som bliver brugt til angreb eller forsvar. Både rovdyr og byttedyr bruger deres pigge eller nåle til at skade, sprøjte gift ind eller klæbe sig fast på fjenden. Men ikke alle spidser har skadelige og drabelige funktioner.

Inden for visse artsgrupper bliver de spydige brodde også brugt socialt, som når hanner duellerer om retten til territorium eller kurtiserer mager. Og mange planter har bittesmå hårlignende strukturer kaldet trikomer til bl.a. at beskytte blade mod frost og optimere absorberingen af lys.

Naturens pigge varierer gevaldigt i størrelse – fx er visse virus og alger udrustet med pigge på under 100 nanometer, mens narhvalens stødtand kan blive op mod 2,5 meter lang.

Efter at have undersøgt 200 arter fandt forskerne fra Danmarks Tekniske Universitet frem til, at uanset om piggen sidder på en bi eller en brændenælde, en narhval eller en alge, så er den opbygget efter præcis samme matematiske formular. Formlen beskriver forholdet mellem piggens længde, elasticitet og tykkelse ved basen samt friktionen, når den penetrerer huden.

Forskerne kiggede udelukkende på pigge med en slank og aflang form og et nogenlunde rundt tværsnit. Derfor er fx torne, hugtænder og næsehorn ikke med i undersøgelserne.

Formlen afslører ikke bare den optimale struktur, men også materialet. Svaret på, hvad der er den ideelle længde, tykkelse eller materiale for søm, nåle eller kanyler, ligger gemt i formlen. Og det giver mulighed for at udvikle søm, der trænger lettere ind i vægge, og kanyler, der ubemærket sættes ind i kroppen. Forskerne håber dermed at kunne kurere nåleforskrækkede personer.

Forsker lod sig stikke på penis

Spidse genstande er normalt forbundet med smerte. Adskillige insekter er nemlig udstyret med en brod, der borer sig let og elegant ind i et offer og forårsager en væmmelig smerte.

Det kan insektforskeren Justin Schmidt bekræfte. Han er blevet stukket mere end 1000 gange af knap 100 forskellige arter af myrer, hvepse og bier og har på baggrund af sine pinefulde erfaringer udarbejdet det såkaldte Schmidt sting pain index, som klassificerer smertegraden af de forskellige stik.

Skalaen løber fra 0 til 4, med 4 som det værste. Kun tre insekter har æren af at være i den absolutte elite af smertefulde stik. To af dem er hvepse med enorme brodde, mens den allerværste af dem alle er en lille, rød myre kaldet kuglemyren (bullet ant), hvis stik forårsager en smerte, der sammenlignes med at blive skudt – deraf navnet.

Stikket fra en almindelig honningbi er klassificeret som 2, mens en del hvepsearter er i kategori 3.

Justin Schmidts smerteskala giver kun indikationer på de mest smertefulde stik, men er ikke perfekt, da der ikke tages højde for, hvor på kroppen stikket lander.

Det har en anden forsker til gengæld undersøgt på egen krop. Michael Smith fra Cornell Universitet i New York lod sig i løbet af 38 dage stikke af honningbier på 25 forskellige områder af kroppen. Konklusionen var, at de tre mest smertefulde områder at blive stukket er på penis, overlæben og i næseboret.

Det er dog oftere selve giften end insektens brod, som påfører smerten. Brodden er nemlig skabt til at påføre mindst mulig smerte, så de ubemærket kan gennemføre den egentlige opgave – uanset om det er at suge blod eller indsprøjte gift, hvilket bl.a. ses hos myggen.

Myggestik er forbillede

Undersøgelser af små blodsugere som myg og den matematiske formel bag naturens stik har inspireret forskerne til at tæmme frygten for kanyler.

Myggene har nemlig naturens smidigste stik og kan have snablen dybt begravet i huden i flere minutter, uden at vi bemærker det. Derfor har forskere fra The Ohio State University i USA kastet sig ud i at analysere myggens snabel.

Forskerne identificerede fire nøgler til det diskrete stik. For det første bruger myggen et bedøvelsesmiddel, når den stikker. Dernæst vibrerer snablen forsigtigt, mens den penetrerer huden. Det tredje trin er spidsen, der består af knivskarpe savtakker, som kan skære huden op, og den fjerde nøgle er snablens struktur. Den er sammensat af en kombination af både bløde og hårde områder.

De fire nøgler har givet forskerne et klart billede af, hvordan en smertefri kanyle skal designes. De forestiller sig en kanyle, der skal være få millimeter i længden og potentielt 80 mikrometer i diameter ligesom myggens snabel. Den skal tilsvarende indeholde to nåle.

Den ene nål indsprøjter straks et bedøvelsesmiddel, mens den anden nål har en savtakket spids og skal tage selve blodprøven eller indsprøjte medicinen.

Tanken er, at nålen ud over at være blød og fleksibel skal vibrere let, mens den trænger ind. I naturen sørger vibrationerne for, at både myggesnabler og hvepsebrodde trænger ubemærket ind.

Myggens ninjastik er bygget efter matematisk formel

Myggens snabel er opbygget efter en universel matematisk formel, d₀ = (F/E)^1/3 L, som beskriver forholdet mellem snablens længde, tykkelse ved basen, elasticitet og friktionskraften fra materialet, der skal gennembores, i myggens tilfælde – huden.

Splitsekunderne fra, at brodden bliver sat i, til den smertefulde gift bliver sprøjtet ind, kan være forskellen på liv og død og giver insekterne livsvigtig tid til at undslippe, inden de bliver knust af et dask.

Ligesom myggesnablen er biers og hvepses brod betydelig blødere og mere elastisk for enden – ca. fem gange blødere og syv gange mere elastisk ved spidsen end i bunden. Den blødere og mere fleksible spids tjener samme formål som i myggesnablen, og hårdheden i bunden skaber stabilitet og sørger for, at brodden ikke bøjer og knækker.

Brod lagde oprindeligt æg

Hvepse-broddens reelle funktion er da heller ikke at forårsage smerte. Brodden er derimod opstået for at lave morbide kirurgiske indgreb og debuterede i juratiden hos en fjern forfader til både bier og hvepse, der brugte organet til at plante sine æg i larver. Når hvepseæggene klækkede, kunne larverne frit æde den inficerede larve indefra.

Dette æglæggende organ, kaldet ovipositor, blev startskuddet på de enormt succesfulde parasitiske hvepse, som i dag består af tusindvis af arter, og som ifølge forskere er klodens største insektgruppe.

Organet er opbygget af tre aflange klapper, der danner et aflangt hulrum imellem sig, hvorigennem æggene bliver transporteret. Når brodden trænger ind i offeret, bevæger klapperne sig på skift. De tre klapper arbejder sammen, så en glider dybere, mens de to andre støtter. Til sidst borer den tredje klap sig dybere ved hjælp af støtte fra de to første klapper.

Klappernes bevægelser reducerer ikke kun kraften, der skal til for at gennembore offeret, de er også drivkraften bag transporten af æg gennem organet. Med tiden er organet blevet optimeret til at blive endnu spidsere og har fået savtakker for enden for at blive stærkere til at penetrere.

Først senere kom giftkirtlerne, der gjorde brodden til et decideret våben.

🎬 Kuglemyrer i handsker hærder stammekrigere

Hvepsenes evne til effektivt at trænge dybt ind under hud og insektskjold har inspireret forskere fra Delft University i Holland til at designe et redskab, som lettere og med betydelig mindre ubehag kan tage dybe vævsprøver fra fx muskler, kræftsvulster og blodansamlinger.

Det nye værktøj er 8 cm langt, men blot 7 mm bredt og skal fx bruges til dybe indsprøjtninger og vævsprøver i fx hjernen.

Kanyler skal snige stik ind

Kirurgiske indgreb, udtagning af vævsprøver og indsprøjtning af medicin afhænger alle af solide, spidse redskaber, der hverken knækker eller giver ubehag. Og i biologiske laboratorier kan mikropipetter i enkelte celler blive markant forbedrede, så de ikke knækker så let som i dag.

Med perfekte, spidse redskaber kan håndværkere spare penge og kræfter på at hamre søm, mens læger kan præcisere kanyleindsprøjtninger til helt specifikke områder, uden at patienter kan mærke noget som helst.

Naturens ofte væmmelige stik kan på den måde paradoksalt nok føre til bedre stik i fremtiden.