Ampiaiset ja nokkoset noudattavat samaa kaavaa: Täydellinen pisto

Pistipä sinua sitten ampiainen, piikkisika tai nokkonen, sinuun tunkeutunut pistin tai piikki pohjautuu yleispätevään matemaattiseen kaavaan. Tanskalaiset tutkijat ovat selvittäneet luonnollisten pistäjien salaisuuden ja aikovat kehittää havaintojensa pohjalta huippuohuen injektioneulan, joka läpäisee ihon huomaamatta.

Pistipä sinua sitten ampiainen, piikkisika tai nokkonen, sinuun tunkeutunut pistin tai piikki pohjautuu yleispätevään matemaattiseen kaavaan. Tanskalaiset tutkijat ovat selvittäneet luonnollisten pistäjien salaisuuden ja aikovat kehittää havaintojensa pohjalta huippuohuen injektioneulan, joka läpäisee ihon huomaamatta.

Shutterstock

Limsatölkki hakeutuu huulillesi keltaraitainen salamatkustaja kyydissään. Sillä sekunnilla, kun huulesi puristuvat mehiläisen ympärille, käynnistyy automaattinen reaktio. Hermosignaaleja kulkeutuu mehiläisen takaruumiiseen, sen lihakset jännittyvät ja täydellinen, huippuunsa hiottu ase tunkeutuu huomaamatta ihosi läpi.

Vasta kun myrkkyä alkaa virrata alahuuleesi, heität limsatölkin sylkäisyn säestämänä käsistäsi.

Vuosituhansia kestänyt evoluutio on virittänyt ampiaisten ja mehiläisten pistimiä ja tehnyt niistä mahdollisimman tehokkaita aseita.

Nyt Kööpenhaminan yliopiston tutkijaryhmä on paljastanut luonnon täydellisen piston takana piilevän yleismaailmallisen kaavan.

Arvostetussa Nature Physics -julkaisussa esitellyt tutkimustulokset ovat saaneet innostuneen vastaanoton fyysikoiden ja insinöörien keskuudessa.

Kyseisen kaavan pohjalta he haluavat kehittää neuloja, kanyyleja ja nauloja, jotka läpäisevät ihoa tai puuta aiempaa helpommin ja ovat myös aiempaa kestävämpiä.

Viruskin soveltaa samaa reseptiä

Luonto on täynnä teräviä välineitä, joita käytetään hyökkäämiseen tai puolustautumiseen. Niin saaliit kuin saalistajatkin käyttävät piikkejä ja kynsiä vahingoittaakseen tai myrkyttääkseen vihollistaan tai kiinnittyäkseen siihen. Terävyys ei silti aina tarkoita sitä, että välineellä olisi tarkoitus vahingoittaa tai tappaa.

Tietyissä eläinryhmissä teräviä pistimiä käytetään myös sosiaalisissa yhteyksissä – esimerkiksi koiraiden välisissä reviirikamppailuissa tai naaraiden kosiskelussa. Monella kasvilla taas on pikkuruisia, karvamaisia rakenteita eli trikomeja, jotka esimerkiksi suojaavat lehtiä kylmyydeltä ja optimoivat valonsaannin.

Luonnon piikkien kokovaihtelut on valtavia: esimerkiksi virusten ja levien piikit ovat alle 100 nanometriä pitkiä, kun taas sarvivalaan syöksyhammas voi venyä 2,5-metriseksi.

Paneuduttuaan 200 lajiin Kööpenhaminan yliopiston tutkijat tulivat siihen tulokseen, että kaikki piikit noudattavat samaa matemaattista kaavaa, olivat ne sitten kiinni mehiläisessä, nokkosessa, sarvivalaassa tai levässä. Kaava kuvailee piikin pituuden, joustavuuden ja tyvipaksuuden välistä suhdetta sekä kitkaa piikin tunkeutuessa ihoon.

Tutkijat keskittyivät vain piikkeihin, jotka ovat ohuita ja pitkulaisia ja poikkileikkaukseltaan jokseenkin pyöreitä. Siksi esimerkiksi okaat, syöksyhampaat ja sarvet eivät kuuluneet tutkimuskohteisiin.

Kaava paljastaa optimaalisen rakenteen lisäksi ihanteellisen materiaalin. Naulan, injektioneulan tai kanyylin ihannepituus, -paksuus ja -materiaali ovat kätkettyinä kaavaan, ja sen ansiosta voidaan kehittää paremmin seinään tunkeutuvia nauloja ja huomaamattomasti ihoon työntyviä injektioneuloja. Tutkijat toivovatkin havaintojensa tarjoavan helpotusta neulapelkoisten ihmisten elämään.

Tutkija antoi pistää itseään penikseen

Terävät esineet yhdistyvät tavallisesti kipuun – onhan monilla hyönteisillä pistin, joka porautuu helposti uhriin ja aiheuttaa suoranaista tuskaakin.

Tämän voi vahvistaa hyönteistutkija Justin Schmidt, jota lähes sataa eri lajia edustavat muurahaiset, ampiaiset ja mehiläiset ovat pistäneet yhteensä yli tuhat kertaa. Hän on kipeiden kokemustensa pohjalta kehittänyt niin kutsutun Schmidtin pistokipuindeksin, joka luokittelee erilaisten pistojen tuskallisuusastetta.

Asteikon lukemat sijoittuvat välille 0–4, ja 4 kuvastaa voimakkainta kipua. Vain kolme hyönteistä on saanut kunnian päästä kaikkein tuskallisimpien pistäjien joukkoon. Niistä kaksi on jättipistintä heiluttelevia ampiaisia, mutta kaikkein pahin pistäjä on luotimuurahainen, jonka piston aiheuttamaa kipua voi verrata ammutuksi tulemiseen – ja siitä lajin nimikin juontuu.

Tavallinen mehiläisenpisto on arvioitu luokkaan 2 ja monen ampiaislajin luokkaan 3.

Biologi Justin Schmidt antoi lähes sadan eri hyönteislajin edustajien pistää itseään yli tuhat kertaa ja kuvaili kiputuntemuksensa yksityiskohtaisesti. Tuskaisa urakka loi pohjan Schmidtin pistokipuindeksille, jolla luokitellaan eri hyönteisten pistot niiden aiheuttaman kivun mukaan.

© Sebastian Schneider/Getty Images

Viholainen iskee siekailematta 🙁

Viholaisyhteiskuntien työläisillä on pistin, jonka pistos aiheuttaa tulehdusta, punotusta ja turvotusta. Sen myrkyssä on kaikkiaan 142:ta aminohappoa, jotka saattavat tutkijoiden mukaan olla oivia ehdokkaita uusiksi hyönteismyrkyiksi tai antibakteerisiksi aineiksi.

  • Nimi: Myrmica rubra
  • Kipuindeksi: 1
© Shutterstock

Mehiläisenpisto voi viedä hengen 😩

Mehiläisenpisto voi aiheuttaa punotusta, kutinaa ja turvotusta ja joillakin ihmisillä jopa hengenvaarallisen allergisen reaktion. Mehiläisen myrkky sisältää esimerkiksi tulehdusta aiheuttavaa histamiinia, jolla on oma osansa ihmisen aivotoiminnassa, vastustuskyvyssä ja ruuansulatuksessa.

  • Nimi: Apis mellifera
  • Kipuindeksi: 2
© Ken-ichi Ueda

Paperiampiainen aiheuttaa lihaskramppeja 😭

Paperiampaisenpisto on Schmidtin mukaan ”syövyttävä ja polttava – kuin kaataisi lasillisen suolahappoa avohaavaan”. Kipua saattaa kestää minuutista puoleen tuntiin. Myrkky sisältää peptideihin kuuluvia polisteskiniinejä, jotka aiheuttavat esimerkiksi tulehdusta ja lihaskouristuksia ja laajentavat verisuonia.

  • Nimi: Polistes canadensis
  • Kipuindeksi: 3
© Franceso Tomasinelli/Photo Researchers/Ritzau Scanpix

Luotimuurahainen ampuu kovilla 👹

Schmidt vertasi luotimuurahaisenpistoa ammutuksi tulemiseen, ja siihen tämän lajin nimikin viittaa. Se tuntuu siltä ”kuin kävelisi paljain jaloin hehkuvilla hiilillä kolmen tuuman rautanaula kantapäässään”. Kipua saattaa jatkua jopa vuorokauden ajan ja se voi aiheuttaa vakavia rytmihäiriöitä, nesteen kertymistä elimistöön ja veristä ulostetta.

  • Nimi: Paraponera clavata
  • Kipuindeksi: 4

Justin Schmidtin kipuasteikko antaa kyllä osviittaa kaikkein kivuliaimmista pistoista, mutta se ei suinkaan ole täydellinen, koska siinä ei huomioida pistokohdan sijaintia.

Sen taas toinen tutkija on tutkinut korkeimman omakohtaisesti. Newyorkilaisen Cornell-yliopiston Michael Smith antoi mehiläisten pistellä itseään 38 päivän aikana 25 eri kohtaan ja tuli siihen tulokseen, että kolme kivuliainta pistospaikkaa olivat penis, ylähuuli ja sierain.

Suurin osa kivusta aiheutuu kuitenkin myrkystä eikä varsinaisesta pistosta. Pistin on nimittäin kehittynyt aiheuttamaan mahdollisimman vähän kipua, jotta se voi hoitaa huomaamatta varsinaisen tehtävänsä – oli se sitten veren imeminen tai myrkyn ruiskuttaminen – mikä käy ilmi esimerkiksi hyttysten toiminnasta.

Hyttysenpisto on malliesimerkki

Hyttysen kaltaisten pienten verenimijöiden ja luonnollisten pistinten matemaattisen kaavan tutkiminen on innostanut tutkijoita taltuttamaan neulapelkoa.

Hyttysillä on nimittäin luonnon sutjakkain pisto, ja ne voivat olla porautuneina ihmisen ihoon useita minuutteja ilman että uhri huomaa sitä lainkaan. Siksi yhdysvaltalaisen Ohion yliopiston tutkijat ovat ryhtyneet tutkimaan hyttysen imukärsää.

“Kuin kävelisi paljain jaloin hehkuvilla hiilillä kolmen tuuman rautanaula kantapäässään.” Justin Schmidt luotimuurahaisen pistosta

Tutkijat tunnistivat hyttysen hienovaraisen piston neljä avaintekijää. Ensinnäkin hyttynen käyttää pistäessään puudutusainetta. Toisekseen sen imukärsä värisee hieman läpäistessään ihon. Kolmas tekijä on imukärsän kärjen terävä hammastus, joka leikkaa ihoa. Neljäs tekijä on kärsän rakenne, johon kuuluu sekä kovia että pehmeitä alueita.

Nämä neljä avainasiaa ovat antaneet tutkijoille selkeän kuvan siitä, kuinka kivuton injektioneula pitää suunnitella. He kaavailevat neulaa, jonka pituus on muutaman millimetrin ja läpimitta ehkä 80 mikrometriä, kuten hyttysen imukärsänkin. Sen täytyy myös koostua kahdesta erilaisesta neulasta.

Ensimmäinen neula ruiskuttaa välittömästi puudutusainetta. Toisessa neulassa on hammastettu kärki, ja sillä otetaan varsinainen verinäyte tai ruiskutetaan lääkeainetta.

Neulan pitäisi olla pehmeä ja taipuisa ja myös väristä hieman painuessaan syvemmälle, sillä luonnossa juuri värähtelyt saavat aikaan sen, että hyttysen tai ampiaisen pistoa ei välttämättä heti huomaa.

Hyttysen ninjapisto perustuu matemaattiseen kaavaan

Hyttysen kärsä on rakentunut yleispätevälle matemaattiselle kaavalle d0 = (F/E)1/3 L, joka kuvailee imukärsän pituuden, tyvipaksuuden, joustavuuden ja läpäistävän aineen – hyttysen tapauksessa ihon – aiheuttaman kitkan välistä suhdetta.

Ne sekunnin murto-osat, jotka kuluvat pistimen käyttämisestä myrkyn ruiskuttamiseen, saattavat ratkaista elämän ja kuoleman antamalla hyönteiselle aikaa paeta, ennen kuin se liiskataan hengiltä.

Hyttysen imukärsän lailla myös mehiläisten ja ampiaisten pistimet ovat kärjestään pehmeämpiä ja joustavampia – noin viisi kertaa pehmeämpiä ja seitsemän kertaa joustavampia kuin tyvestään. Pehmeämpi ja joustavampi kärki palvelee samaa tarkoitusta kuin hyttysen kärsässä, ja tyviosan kovuus tuo vakautta ja estää pistintä taipumasta ja taittumasta.

Pistintä käytettiin alkujaan munimisessa

Ampiaisen pistimen varsinainen tarkoitus ei suinkaan ole aiheuttaa kipua muille. Pistin kehittyi käytettäväksi rujossa kirurgisessa toimenpiteessä, jossa munia pistetään muhimaan toukkien sisään Ensimmäisenä pistintä käytti jurakaudella elänyt ampiaisten ja mehiläisten esimuoto. Kun munat kuoriutuivat isäntätoukissaan, toukat söivät isäntänsä sisältä päin.

Munanasetin antoi lähtölaukauksen menestyneille loispistiäisille, joiden lajimäärä lasketaan nykyään tuhansissa ja jotka ovat tutkijoiden mukaan maailman suurin hyönteisryhmä.

Munanasetin koostuu kolmesta pitkänomaisesta läpästä, joiden väliin jäävässä tilassa munat mahtuvat liikkumaan. Kun pistin on syvällä kohteessaan, läpät alkavat liikkua vuorotellen siten, että yksi tunkeutuu aina syvemmälle kahden muun antaessa tukea. Lopuksi kolmas läppä porautuu perille asti kahden ensimmäisen pitäessä pistintä paikallaan.

Läppien liike ei ainoastaan vähennä porautumiseen tarvittavaa voimaa, vaan se myös synnyttää munien liikuttamiseen tarvittavan energian. Ajan mittaan elin on kehittynyt entistä terävämmäksi, ja se on saanut kärkeensä tunkeutumista helpottavan hammastuksen.

Ase siitä tuli vasta myöhemmin myrkkyrauhasten kehittymisen myötä.

🎬 Luotimuurahaiset karaisevat heimosotureita

Ampiaisten kyky tunkeutua syvälle ihoon vaikka hyönteisverkon läpi innosti hollantilaisen Delftin yliopiston tutkijat suunnittelemaan välineen, jolla voidaan ottaa kudosnäytteitä esimerkiksi lihaksista, syöpäkasvaimista ja verenpurkaumista entistä helpommin ja kivuttomammin.

Uusi väline on 8 senttiä pitkä mutta vain 7 milliä paksu, ja sitä voidaan käyttää, kun pitää antaa ruiske syvälle kudoksiin tai ottaa kudosnäyte vaikkapa aivoista.

Ruiskeita lähes huomaamatta

Kirurgisiin toimenpiteisiin, kudosnäytteiden ottamiseen ja lääkkeiden ruiskuttamiseen tarvitaan vahvoja, teräviä välineitä, jotka eivät katkea tai tunnu epämiellyttäviltä. Myös biologisissa laboratorioissa käytettäviä mikropipettejä voidaan kehittää sellaisiksi, että ne eivät katkea käytössä yhtä helposti kuin nyt.

Terävät ja toimivat tarvikkeet säästävät rahaa ja voimia esimerkiksi naulaustöitä tekeviltä kirvesmiehiltä, ja lääkärit voivat täsmäruiskuttaa lääkkeitä potilaisiin lähes huomaamatta.

Luonnon kivuliaista pistoista voidaan siis ammentaa oppia kivuttomampaan tulevaisuuteen.