Австралийские ученые с помощью высокоскоростной съемки обнаружили уникальный механизм, который позволяет пчелиному жалу продолжать впрыскивать яд в цель даже после того, как оно отделяется от тела пчелы. Новое исследование, опубликованное в журнале PNAS, впервые показало, что крошечное жало медоносной пчелы (Apis mellifera) длиной 2 миллиметра работает как сложный двухпоршневой микронасос.
«Еще с 1910 года мы знали, что ядовитый мешочек в жале медоносной пчелы опорожняется в камеру с небольшими насосами, которые называются клапанами, но до сих пор мы не знали, как именно они работают», — объяснила ведущий автор исследования доктор Фиорелла Рамирес-Эскивель из Университета Маккуори.
«Если вас когда-нибудь жалила пчела, вы знаете, что это очень болезненный процесс. Теперь мы смогли идентифицировать все рабочие части, заключенные в крошечном жале», — сказал доктор Рамирес-Эскивель.
После того как пчела садится на объект и вонзает в него жало, она улетает, оставляя жало на месте. Этот процесс называется автотомией. Затем жало продолжает проникать в ткани объекта и впрыскивать яд.
Исследователи из Университета Маккуори и Университета Нового Южного Уэльса впервые смогли заснять на видео, как жало самостоятельно впрыскивает яд, когда пчелы жалили прозрачный гель, имитирующий человеческую кожу.
Жало состоит из нескольких компонентов, включая ядовитый мешок и «насосную камеру», мышцы и нервы. У него также есть два острых ланцета, которые скользят вперед и назад подобно возвратно-поступательной пиле. Ланцеты помогают вонзить жало глубже в кожу, а также впрыснуть яд.
К каждому из длинных ланцетов прикреплен клапан, который находится внутри насосной камеры. Исследователи обнаружили, что эти клапаны динамически меняют форму, образуя уплотнение во время опускания поршня, и сжимаются во время его поднятия, создавая давление для откачки и сводя к минимуму обратный ток при наполнении.
Высокоскоростная видеосъемка показала, что клапаны надуваются, как парашют, во время опускания, действуя как поршень и создавая давление для откачки яда из камеры, а затем сдуваются во время поднятия поршня.
«Наконец, и это, пожалуй, самое удивительное, когда клапаны встречаются в середине такта, они снова меняют форму, чтобы пройти друг сквозь друга», — говорит доктор Рамирес-Эскивель. «Это замечательная стратегия перекачки жидкости, поскольку для эффективной передачи давления крайне важно сохранять герметичность. Ключевую роль играет уникальная геометрия клапанов: они действуют как складные поршни и, работая в противоположных направлениях, обеспечивают непрерывную подачу яда».
Исследователи продолжили изучение механики и движения жала, используя микрокомпьютерную томографию для 3D-печати увеличенной рабочей модели, или маленького робота, с камерой и ланцетами, что позволило подтвердить ключевые особенности цикла. «Конструкция с двумя поршнями усложняет процесс, но именно она позволяет жалу непрерывно впрыскивать яд в компактном автономном устройстве», — говорит доктор Рамирес-Эскивель.
Ученые пришли к выводу, что принципы конструкции, обнаруженные в жале медоносной пчелы, могут послужить источником вдохновения для создания микронасосов, которые смогут найти применение в малоинвазивных медицинских и микрофлюидных технологиях.
