Honningbiens piggete brodd kan være et av naturens mest avanserte systemer for å levere gift. Mens skorpioner og edderkopper vanligvis sprøyter gift relativt direkte inn i vev, bruker bien en komplisert totrinnspumpe som fortsetter å virke etter at brodden er skilt fra kroppen.

Den uvanlige anatomien har vært kjent i mer enn hundre år, men selve mekanismen har ikke tidligere vært observert i aktivitet. «Vi har visst siden minst 1910 at giftsekken i honningbiens brodd tømmes inn i et kammer med små pumpeelementer som kalles ventiler, men hittil har vi ikke visst nøyaktig hvordan de virker», sier entomolog Fiorella Ramiresa-Eskiquela ved Macquarie University i Australia.

Brodden fortsetter å pumpe etter stikket

Forskergruppen ledet av Ramiresa-Eskiquela brukte høyhastighetsvideo til å dokumentere prosessen. Opptakene viser hvordan to elastiske ventiler beveger seg omtrent som et par miniatyrstempler og fører giften dypere inn i vevet.

Når honningbien stikker, kan brodden bli sittende fast i vevet. Prosessen kalles autotomi, og innebærer at bien etterlater brodden mens den selv flyr eller faller bort. Den løsrevne brodden fortsetter deretter å arbeide på egen hånd ved hjelp av muskler, kjertler, nerveganglier og giftsekken som fortsatt sitter i apparatet.

Brodden beveger seg gradvis dypere inn i vevet og pumper gift gjennom en smal kanal. For å undersøke dette i detalj filmet forskere fra Macquarie University og UNSW Canberra løsrevne brodder mens de trengte inn i en gjennomsiktig gel som etterlignet menneskelig vev. Videoene ble kombinert med høyoppløselige mikro-CT-skanninger, slik at forskerne kunne rekonstruere broddens kompliserte indre struktur i tre dimensjoner.

To ventiler fungerer som stempler

Undersøkelsen bekreftet tidligere antakelser om at pumpingen drives av to lange, spisse strukturer som kalles lancetter. De glir fram og tilbake inne i en større del av brodden, stiletet. Hver lancett bærer en elastisk ventil som beveger seg i et utvidet kammer, en såkalt bulb, der giften samler seg før den presses ut.

Ventilene beveger seg i motsatt retning av hverandre. På den måten presser de vekselvis gift ut av kammeret og skaper plass til en ny porsjon. Når en ventil beveger seg nedover, utvider den seg mot kammerveggene, danner en tetning og fungerer som et stempel som skyver giften mot utgangen.

På vei oppover klapper ventilen sammen. Motstanden blir mindre, og kammeret kan fylles på nytt. Formendringen begrenser samtidig hvor mye gift som kan trekkes tilbake fra såret.

Midt i bevegelsessyklusen må de to ventilene passere hverandre. Da deformeres de kortvarig slik at de kan presses forbi hverandre, før de fortsetter pumpearbeidet.

Kan gi ideer til medisinske mikropumper

Løsningen er uvanlig i et så lite system. En vanlig stempelpumpe bruker som regel stive deler og ventiler for å kontrollere væskestrømmen. Honningbien løser den samme oppgaven med elastiske strukturer som hele tiden flettes inn i hverandre og endrer form.

Med utgangspunkt i observasjonene bygde forskerne en tredimensjonal modell av pumpekammeret. Modellen ble laget av fleksible materialer og etterlignet de viktigste delene av broddens naturlige pumpesyklus. Det bidro til å bekrefte hvordan ventilene deformeres og kommer seg forbi hverandre.

Det er likevel fortsatt uklart nøyaktig hvordan de ekte ventilene endrer form når de krysser hverandre. Forskerne har identifisert to mulige mekanismer, men flere undersøkelser er nødvendige for å avgjøre hvilken som best beskriver prosessen.

Broddens konstruksjon ser ut til å løse en krevende ingeniørmessig utfordring: å opprettholde en jevn væskestrøm gjennom et svært lite kammer, samtidig som kammeret fylles på nytt.

Systemet er kompakt, selvforsynt og kan fungere uten resten av bienes kropp. Det kan gi inspirasjon til ingeniører som utvikler utstyr for mikrofluidikk og minimalt invasive medisinske teknologier, der det er vanskelig å kontrollere væskestrøm i trange kanaler.

Forskerne mener deformerbare stempler kan være særlig nyttige i spesialtilpassede pumper som skal fungere i kamre med uregelmessig form. Honningbiens brodd viser dermed hvordan et svært lite dyr kan ha en langt mer avansert konstruksjon enn størrelsen skulle tilsi.