Getingar och brännässlor följer universell formel för det perfekta sticket

Oavsett om du blir stucken av en geting eller ett piggsvin eller bränner dig på en nässla baseras gadden, taggen eller håret på samma matematiska formel. Nu har en grupp danska forskare hittat hemligheten bakom naturens stick och ska använda den för att skapa ultratunna kanyler som obemärkt tränger in i huden.

Oavsett om du blir stucken av en geting eller ett piggsvin eller bränner dig på en nässla baseras gadden, taggen eller håret på samma matematiska formel. Nu har en grupp danska forskare hittat hemligheten bakom naturens stick och ska använda den för att skapa ultratunna kanyler som obemärkt tränger in i huden.

Shutterstock

Läskburken förs upp mot munnen, men på kanten sitter en gulrandig fripassagerare. I samma sekund som läpparna klämmer åt om biet startar en automatisk reaktion. Nervsignaler strömmar ner till biets bakkropp, musklerna spänns och ett perfekt, strömlinjeformat vapen tränger obemärkt in i din hud.

Först när giftet pumpas in i överläppen kastar du ifrån dig läskburken med ett skrik.

Årtusenden av evolution har förfinat gadden på bin och getingar och gjort sticket ytterst effektivt.

Nu har en forskargrupp vid Danmarks tekniska universitet kommit fram till den universella formeln bakom naturens perfekta stick.

Deras resultat, som har publicerats i den prestigefyllda tidskriften Nature Physics, har väckt stort intresse bland fysiker och ingenjörer.

Med hjälp av formeln hoppas de kunna optimera nålar, spikar och kanyler, så att de dels lättare tränger igenom hud eller trä, dels blir mer hållbara.

Virus använder samma formel

Naturen är full av vassa utväxter som används till anfall eller försvar. Både rovdjur och bytesdjur använder piggar och taggar för att skada, spruta in gift eller sätta sig fast på fienden. Alla taggar är dock inte till för att skada eller döda.

Bland vissa arter fyller vassa gaddar också sociala funktioner, som när hanar duellerar om ett territorium eller uppvaktar en hona. Även många växter har små hårliknande strukturer, så kallade trikom, för att bland annat skydda sina blad mot frost och optimera upptag av ljus.

Naturens taggar varierar mycket i storlek. En del virus och vissa alger har utväxter som är kortare än 100 nanometer, medan narvalens huggtand kan bli hela 2,5 meter lång.

Efter att ha studerat 200 arter kom forskarna vid Danmarks tekniska universitet fram till att oavsett om det rör sig om gadden på ett bi, håret på en brännässla, huggtanden på en narval eller utväxten på en alg, så är de alla uppbyggda i enlighet med exakt samma matematiska formel. Formeln beskriver förhållandet mellan utväxtens längd, elasticitet och tjocklek vid basen samt friktionen när den tränger in i huden.

Forskarna tittade endast på utväxter med smal, avlång form och ett förhållandevis runt tvärsnitt. Därför ingår inte exempelvis törnen, huggtänder och noshorn i studien.

Formeln avslöjar inte bara den optimala strukturen, utan även materialet. Den anger vilken den idealiska längden, tjockleken och materialet för spikar, taggar och kanyler är, vilket gör det möjligt att utveckla spikar som lättare tränger in i väggar och kanyler som smärtfritt kan föras in i kroppen. Forskarna hoppas på så vis kunna hjälpa spruträdda personer.

Forskare lät sig stickas på penisen

Vassa föremål förknippas normalt med smärta, och många insekter har en gadd som lätt borrar sig in i ett offer och orsakar svår smärta.

Det kan insektsforskaren Justin Schmidt bekräfta. Han har blivit stucken över 1 000 gånger av närmare 100 arter av myror, getingar och bin. Utifrån sina smärtsamma erfarenheter har han tagit fram det så kallade Schmidt sting pain index, som klassificerar smärtgraden hos olika stick.

Skalan går från noll till fyra, där en fyra är mest smärtsam. Endast tre insekter har äran att tillhöra de smärtsamma stickens yppersta elit. Två är getingar med stora gaddar, medan den allra värsta är den lilla röda myran Paraponera clavata, pistolmyran, vars stick orsakar en smärta som jämförs med att bli skjuten (därav namnet).

Ett vanligt honungsbis stick klassas som en tvåa på skalan, medan vissa getingarter når upp till en trea.

Biologen Justin Schmidt, som lät sig stickas över 1 000 gånger av närmare 100 insektsarter, har noga beskrivit smärtan de ger upphov till. Hans arbete är utgångspunkten för skalan Schmidt sting pain index, som kategoriserar olika insektssticks smärtgrad.

© Sebastian Schneider/Getty Images

Aggressiv myra sticker flitigt 🙁

I kolonier av ettermyror med kort gadd har arbetarmyrorna ett stick som medför inflammation, svullnad, rodnad och vätskeansamling. Giftet innehåller 142 så kallade peptider, små kedjor av aminosyror som enligt forskarna kan vara idealiska kandidater till nya insekticider inom jordbruket och antibakteriella ämnen.

  • Namn: Myrmica rubra
  • Smärtindex: 1
© Shutterstock

Honungsbiets stick kan vara livsfarligt 😩

Ett bistick medför symptom som rodnad, klåda och svullnad. I vissa fall kan allergiska reaktioner göra bisticket livshotande. Giftet innehåller bland annat det inflammatoriska ämnet histamin, som även fungerar som signalsubstans i hjärnan och påverkar immunförsvaret och matsmältningssystemet.

  • Namn: Apis mellifera
  • Smärtindex: 2
© Ken-ichi Ueda

Pappersgeting orsakar muskelkramper 😭

Pappersgetingen Polistes canadensis stick är enligt Justin Schmidt ”frätande och brännande, som att spilla en bägare saltsyra på ett skärsår”. Smärtan kan hålla i sig mellan en minut och en halvtimme. Giftet innehåller peptider, så kallade polisteskininer, som bland annat orsakar inflammation, blodkärlsvidgning och muskelsammandragningar.

  • Namn: Polistes canadensis
  • Smärtindex: 3
© Franceso Tomasinelli/Photo Researchers/Ritzau Scanpix

Skarpskjutande myra 👹

Myrarten Paraponera clavatas kraftfulla stick jämförs av Justin Schmidt med att bli skjuten, vilket är anledningen till att den kallas pistolmyra. Det känns ”som att gå barfota på glödande kol med sju centimeter långa spikar som borrat sig in i hälen”. Smärtan kvarstår i upp till ett dygn och giftet medför bland annat allvarliga rubbningar av hjärtrytmen, vätskeansamlingar och blodig avföring.

  • Namn: Paraponera clavata
  • Smärtindex: 4

Justin Schmidts smärtskala ger endast indikationer på de mest smärtsamma sticken. En brist är att skalan inte tar höjd för var någonstans på kroppen sticket sker.

Det har emellertid en annan forskare studerat på sin egen kropp. Under 38 dagar lät Michael Smith vid Cornell University i New York sig stickas av honungsbin på 25 olika delar av kroppen. Hans slutsats var att det gör mest ont att bli stucken på penisen, på överläppen och i näsborren.

Det är emellertid oftare själva giftet än insektens gadd som orsakar smärtan. Gadden har ju skapats för att orsaka så lite smärta som möjligt, detta för att insekten obemärkt ska kunna utföra sin huvudsakliga uppgift, oavsett om det är att suga blod eller spruta in gift. Detta gäller bland annat myggor.

Myggstick som förebild

Studier av små blodsugare som myggor och den matematiska formeln bakom naturens stick har inspirerat forskarna till att försöka bota spruträdsla.

Myggor har nämligen naturens minst smärtsamma stick. De kan ha sin snabel djupt begravd i huden i flera minuter utan att vi märker det. Därför har forskare vid Ohio State University i USA gett sig i kast med att analysera myggans snabel.

”Som att gå barfota på glödande kol med sju centimeter långa spikar som borrat sig in i hälen.” Justin Schmidt om pistolmyrans stick

Forskarna identifierade fyra nycklar till det omärkliga sticket. För det första använder myggan ett bedövningsmedel när den sticker. Dessutom vibrerar snabeln lätt medan den tränger in i huden. Den tredje nyckeln är att spetsen är knivskarp och sågtandad, medan den fjärde är snabelns struktur, en kombination av mjuka och hårda delar.

De fyra nycklarna har gett forskarna en tydlig bild av hur en smärtfri kanyl bör utformas. De tänker sig en kanyl som är några millimeter lång och med en diameter på kanske 80 mikrometer, precis som myggans snabel. På motsvarande vis ska den också ha två nålar.

Den ena nålen injicerar först ett bedövningsmedel, medan den andra, som har en sågtandad spets, tar blodprovet eller injicerar medicinen.

Tanken är att nålen förutom att vara mjuk och flexibel även ska vibrera lätt när den tränger in. I naturen gör vibrationerna att både myggsnablar och getinggaddar obemärkt tränger in i huden.

Myggans ninjastick följer matematisk formel

Myggans snabel är uppbyggd enligt en universell matematisk formel, d0 = (F/E)1/3 L, som beskriver förhållandet mellan snabelns längd, tjocklek vid basen, elasticitet och friktionskraften i materialet som ska genomborras, i myggans fall huden.

De korta sekunder under vilka gadden förs in och det smärtsamma giftet avges kan vara skillnaden mellan liv och död och ger insekterna tid att undkomma innan de krossas av ett slag.

Liksom myggsnabeln är bins och getingars gadd betydligt mjukare och mer elastisk uppe vid spetsen – cirka fem gånger mjukare och sju gånger mer elastisk – än vid basen. Den mjukare, mer flexibla spetsen fyller samma funktion som hos myggsnabeln, medan styvheten vid basen skapar stabilitet och gör att gadden inte böjs och bryts.

Gadd lade ursprungligen ägg

Getinggaddens ursprungliga funktion var inte att vålla smärta, utan att genomföra kirurgiska ingrepp. Gadden uppstod under den geologiska perioden jura hos en avlägsen förfader till bin och getingar som använde organet för att föra in sina ägg i larver. När äggen kläcktes kunde larverna äta upp larven inifrån.

Detta äggläggningsrör, även kallad ovipositor, blev startskottet för de enormt framgångsrika parasitsteklarna, som i dag utgörs av tusentals arter och tros vara planetens största insektsgrupp.

Organet är uppbyggt av tre avlånga klaffar, som tillsammans skapar ett avlångt hålrum genom vilket äggen leds. När gadden tränger in i offret rör sig klaffarna växelvis. De tre klaffarna samverkar så att en glider in djupare, medan de två andra ger stöd. Till slut borrar den tredje klaffen sig djupare in med de två första klaffarnas hjälp.

Klaffarnas rörelser minskar inte bara den kraft som krävs för att genomborra offret, utan bidrar också till att föra äggen genom organet. Med tiden optimerades organet. Det blev då ännu spetsigare och fick sågtänder längst fram för att lättare tränga igenom vävnad.

Först senare tillkom giftkörtlarna, som gjorde gadden till ett vapen.

🎬 Pistolmyror i handskar härdar krigare

Parasitsteklarnas förmåga att effektivt tränga långt in under hud och insektsskal har inspirerat forskare vid Technische Universiteit Delft i Nederländerna att utforma ett redskap som enklare och med betydligt mindre obehag kan ta djupa vävnadsprover från exempelvis muskler, cancertumörer och blodansamlingar.

Det nya redskapet, som är åtta centimeter långt men bara sju millimeter brett, ska exempelvis användas för att göra djupa injektioner och ta vävnadsprover i exempelvis hjärnan.

Kanyler ska smyga in stick

Vid både kirurgiska ingrepp, vävnadsprover och läkemedelsinjektioner behövs tåliga, vassa redskap som varken bryts eller orsakar onödig smärta. Och i biologiska laboratorier kan mikropipetter till celler bli betydligt bättre, så att de inte bryts lika lätt som i dag.

Med perfekta, vassa redskap kan hantverkare spara både tid och pengar när de spikar, medan läkare kan ge injektioner i specifika områden utan att patienten känner någon smärta.

På så vis kan naturens i många fall plågsamma stick paradoxalt nog leda till framtida smärtlindring.