Veps og brennesler følger universell formel: Det perfekte stikket

Virus bruker samme oppskrift

I naturen finnes det massevis av spisse gjenstander som blir brukt til angrep eller forsvar. Både rovdyr og byttedyr bruker pigger eller nåler til å skade, sprøyte inn gift eller klebe seg fast til fienden. Men ikke alle spisser har skadelige funksjoner.

Innen visse artsgrupper blir broddene også brukt sosialt, som når hanner duellerer om retten til territorium eller kurtiserer maker. Og mange planter har bitte små hårlignende strukturer som kalles trikomer til blant annet å beskytte blader mot frost og optimere absorberingen av lys.

Naturens pigger varierer voldsom i størrelse – for eksempel er visse virus og alger utrustet med pigger på under 100 nanometer, mens narhvalens støttann kan bli opp mot 2,5 meter lang.

Etter å ha undersøkt 200 arter fant forskerne fra Københavns Universitet fram til at uansett om piggen sitter på en bie eller en brennesle, en narhval eller en alge, så er den bygget opp etter akkurat samme matematiske formel. Formelen beskriver forholdet mellom piggens lengde, elastisitet og tykkelse ved basen samt friksjonen når den gjennomborer huden.

Forskerne så utelukkende på pigger med en slank og avlang form og et noenlunde rundt tverrsnitt. Derfor er ikke for eksempel torner, hoggtenner og neshornhorn med i studiene.

Formelen avslører ikke bare den optimale strukturen, men også materialet. Svaret på hva som er den ideelle lengden, tykkelsen eller materialet for spiker, nåler eller kanyler, ligger gjemt i formelen. Og det gir muligheter for å utvikle spiker som trenger lettere inn i vegger, og kanyler som ubemerket settes inn i kroppen. Forskerne håper dermed å kunne hjelpe personer som er redde for sprøyter.

Forsker lot seg stikke på penis

Spisse gjenstander er normalt forbundet med smerte. Mange insekter er nemlig utstyrt med en brodd som borer seg lett og elegant inn i et offer og forårsaker smerte.

Det kan insektforskeren Justin Schmidt bekrefte. Han har blitt bitt eller stukket mer enn 1000 ganger av nesten 100 ulike arter av maur, vepser og bier og har på bakgrunn av sine pinefulle erfaringer utarbeidet det såkalte Schmidt sting pain index, som klassifiserer smertegraden av de ulike stikkene.

Skalaen går fra 0 til 4, med 4 som det verste. Bare tre insekter har æren av å være i den absolutte eliten av smertefulle stikk. To av dem er veps med enorme brodder, mens den aller verste av dem alle er en liten, rød maur som kalles kulemauren (bullet ant), med et bitt som forårsaker en smerte som sammenlignes med å bli skutt – derav navnet.

Stikket fra en vanlig bie er klassifisert som 2, mens en del vepsearter er i kategori 3.

Justin Schmidts smerteskala gir bare indikasjoner på de mest smertefulle stikkene, men er ikke perfekt, ettersom det ikke tas høyde for hvor på kroppen stikket lander.

Det har en annen forsker til gjengjeld undersøkt på egen kropp. Michael Smith fra Cornell-universitet i New York lot seg i løpet av 38 dager stikke av bier på 25 ulike områder av kroppen. Konklusjonen var at de tre mest smertefulle områdene å bli stukket er på penis, overleppen og i neseboret.

Det er imidlertid oftere selve giften enn brodden som påfører smerten. Brodden er nemlig skapt til å påføre minst mulig smerte, slik at de ubemerket kan gjennomføre den egentlige oppgaven – uansett om det er å suge blod eller sprøyte inn gift, noe som blant annet ses hos myggen.

Myggstikk er forbilde

Studier av små blodsugere som myggen og den matematiske formelen bak naturens stikk har inspirert forskerne til å temme frykten for kanyler.

Myggen har nemlig naturens smidigste stikk og kan ha snabelen dyp begravet i huden i flere minutter uten at vi merker det. Derfor har forskere fra Ohio State University i USA kastet seg ut i å analysere myggens snabel.

Forskerne identifiserte fire nøkler til et umerkelig stikk. For det første bruker myggen et bedøvelsesmiddel når den stikker. Deretter vibrerer snabelen forsiktig mens den borer seg gjennom huden. Den tredje nøkkelen er spissen, som består av knivskarpe sagtakker som kan skjære opp huden, og den fjerde er snabelens struktur. Den er sammensatt av en kombinasjon av både myke og harde områder.

De fire nøklene har gitt forskerne et klart bilde av hvordan en smertefri kanyle skal designes. De forestiller seg en sprøytespiss som skal være få millimeter i lengden og potensielt 80 mikrometer i diameter, akkurat som myggens snabel. Den skal inneholde to nåler.

Den ene nålen sprøyter inn et bedøvelsesmiddel, mens den andre nålen har en sagtakket spiss og skal ta blodprøven eller sprøyte inn medisiner.

Tanken er at nålen, i tillegg til å være myk og fleksibel, skal vibrere mens den trenger inn. I naturen sørger vibrasjonene for at både myggsnabler og vepsebrodder trenger ubemerket inn.

Myggens ninjastikk er bygget etter matematisk formel

Myggens snabel er bygget opp etter en universell matematisk formel, d₀ = (F/E)^1/3 L,som beskriver forholdet mellom lengde, tykkelse ved basen, elastisitet og friksjonskraften fra materialet som skal gjennombores, i myggens tilfelle – huden.

Det korte tidsrommet fra brodden blir satt i til den smertefulle giften blir sprøytet inn, kan være forskjellen på liv og død. Det gir insektene livsviktig tid til å slippe unna før de blir knust.

Også broddene til bier og vepser er betydelig mykere og mer elastiske ved enden – om lag fem ganger mykere og sju ganger mer elastiske enn i bunnen. Den bløtere og mer fleksible spissen tjener samme formål som i myggsnabelen, og hardheten i bunnen skaper stabilitet og sørger for at brodden ikke bøyer seg og knekker.

Brodd la opprinnelig egg

Vepsebroddens opprinnelige funksjon var faktisk ikke å forårsake smerte. Brodden har derimot oppstått for å gjennomføre morbide kirurgiske inngrep og debuterte i juratiden hos en fjern stamfar til både bier og veps som brukte organet til å plante eggene sine i larver. Når vepseeggene klekket, kunne larvene spise den infiserte larven innefra.

Dette eggleggende organet, kalt ovipositor, ble startskuddet på de enormt vellykkede parasittiske vepsene, som i dag består av tusenvis av arter, og som ifølge forskere er klodens største insektgruppe.

Organet er bygget opp av tre avlange klaffer som danner et avlangt hulrom mellom seg, som eggene blir transportert gjennom. Når brodden trenger inn i offeret, beveger klaffene seg på skift. De tre klaffene arbeider sammen: En glir dypere mens de to andre støtter. Til slutt borer den tredje klaffen seg dypere ved hjelp av støtte fra de to første.

Bevegelsene reduserer ikke bare kraften som skal til for å gjennombore offeret; de er også drivkraften bak transporten av egg gjennom organet. Med tiden har organet blitt optimert til å bli enda spissere og har fått sagtakker i enden for å bli sterkere.

Først senere kom giftkjertlene som gjorde brodden til et faktisk våpen.

🎬 Kulemaur i hansker herder stammekrigere

Vepsenes evne til å trenge dypt inn under hud og insektskjold har inspirert forskere fra Delft-universitetet i Nederland til å designe et redskap som lettere og med betydelig mindre ubehag kan ta dype vevsprøver fra for eksempel muskler, kreftsvulster og blodansamlinger.

Det nye verktøyet er 8 centimeter langt, men bare 7 millimeter bredt og skal for eksempel brukes til dype innsprøytinger og vevsprøver i for eksempel hjernen.

Kanyler skal snike inn stikk

Kirurgiske inngrep, uthenting av vevsprøver og innsprøyting av medisiner er avhengig av solide, spisse redskaper som verken knekker eller gir ubehag. Og i biologiske laboratorier kan mikropipetter i enkelte celler bli mye bedre, slik at de ikke knekker så lett som i dag.

Med perfekte, spisse redskaper kan håndverkere spare penger og krefter på å hamre spiker, mens leger kan sørge for at innsprøytinger går til helt spesifikke områder uten at pasienter kan merke noe som helst.

Naturens gufne stikk kan på den måten paradoksalt nok føre til bedre stikk i framtiden.