Ubod pčele medarice bolan je zbog otrova koji ulazi u kožu, no znanstvenici su sada detaljno snimili što se događa nakon što se žalac odvoji od tijela kukca. Istraživanje objavljeno u časopisu Proceedings of the National Academy of Sciences otkrilo je da žalac ima iznimno učinkovit sustav dvostruke mikropumpe koji omogućuje neprekidno ubrizgavanje otrova. Ovo otkriće moglo bi poslužiti kao nadahnuće za razvoj novih medicinskih i istraživačkih uređaja.

Oštra bol koja se javlja nakon uboda pčele može biti dovoljno neugodna sama po sebi, ali njezin je uzrok i otrov koji se ubrizgava u kožu. Pritom je posebno zanimljivo da žalac pčele medarice (Apis mellifera) može nastaviti raditi čak i nakon što se odvoji od tijela kukca.

Radilica koja ubode čovjeka ili drugu metu najčešće ne preživi taj događaj. Njezin se žalac tijekom uboda zaglavi u koži, a pri pokušaju odvajanja od mete može se iščupati iz stražnjeg dijela tijela pčele. Takva ozljeda u pravilu dovodi do njezine smrti.

No ono što slijedi nakon toga još je neobičnije. Iako se pčela već udaljila, njezin odvojeni žalac nastavlja ubrizgavati otrov. Upravo je taj proces zainteresirao znanstvenike koji su odlučili detaljno istražiti kako sićušna struktura može samostalno nastaviti s radom.

Snimili žalac koji nastavlja ubrizgavati otrov nakon odvajanja od pčele

U novom istraživanju, objavljenom u znanstvenom časopisu Proceedings of the National Academy of Sciences, istraživači su uspjeli snimiti odvojeni žalac tijekom njegova rada. Cilj im je bio bolje razumjeti njegovu unutarnju građu i mehanizam kojim otrov dospijeva u kožu.

Kako bi promatrali proces, znanstvenici su upotrijebili brze kamere koje su zabilježile djelovanje poluprozirnog žalca dok prodire u prozirni gel osmišljen tako da oponaša ljudsku kožu. Zahvaljujući takvom pristupu mogli su promatrati unutarnje dijelove žalca i način na koji se oni pokreću tijekom ubrizgavanja otrova.

Iako prizor odvojenog žalca koji nastavlja raditi može djelovati uznemirujuće, snimka je istraživačima omogućila da prvi put izravno promotre pojedinosti mehanizma koji je dugo ostao nedovoljno razjašnjen.

„Ako vas je ikada ubola pčela, znate koliko je to bolan proces. Sada smo, međutim, uspjeli identificirati sve funkcionalne dijelove smještene unutar tog sićušnog žalca”, izjavila je entomologinja Fiorella Ramirez-Esquivel sa Sveučilišta Macquarie u Australiji.

Dodala je da znanstvenici već dugo znaju kako je otrovna vrećica pčelinjeg žalca povezana s komorom u kojoj se nalaze mali elementi nalik ventilima, zaduženi za potiskivanje otrova.

„Još od 1910. godine znamo da se otrovna vrećica žalca pčele medarice prazni u komoru s malim pumpnim elementima koji se nazivaju ventili, ali sve do sada nismo točno znali kako oni funkcioniraju”, objasnila je Ramirez-Esquivel.

Dva klipa rade naizmjenično i omogućuju neprekidan protok otrova

Istraživački tim mehanizam žalca opisao je kao jedinstvenu mikropumpu s dvostrukim klipom. Riječ je o složenom sustavu koji istodobno omogućuje prodiranje žalca u tkivo i potiskivanje otrova prema mjestu uboda.

Na početku su znanstvenici žalac pomoću pincete postavili u odgovarajući položaj. Nakon toga posao preuzimaju dva oštra, nazubljena dijela nazvana lancete. One se pomiču naizmjenično, zabadajući se sve dublje u gel koji oponaša kožu, dok istodobno sudjeluju u potiskivanju otrova.

Svaka lanceta povezana je s odgovarajućim ventilom smještenim unutar proširenog dijela žalca, odnosno njegove komore u obliku mjehurića pri bazi. Ti su ventili fleksibilni i mogu mijenjati oblik tijekom rada.

Kada se jedan ventil napuhne, potiskuje pripadajuću lancetu prema dolje, čime se žalac dodatno zabada u podlogu. Kada se ventil ispuhne, lanceta se povlači. Drugi ventil u međuvremenu prolazi kroz suprotnu fazu pokreta, pa se dva dijela mehanizma izmjenjuju i nastavljaju raditi.

Takvo naizmjenično djelovanje ne služi samo pomicanju žalca. Ono stvara i pritisak prema dolje u povezanoj komori s otrovom, usmjeravajući tekućinu prema mjestu uboda.

Posebno je zanimljiv način na koji ventili prolaze jedan pokraj drugoga. Kada se susretnu u sredini svojega pokreta, ponovno mijenjaju oblik kako bi se mogli mimoići i nastaviti ciklus pumpanja.

„To je možda i najdojmljiviji dio cijelog procesa”, rekla je Ramirez-Esquivel, objašnjavajući kako ventili tijekom kretanja mijenjaju oblik da bi prošli jedan pokraj drugoga.

„Riječ je o iznimnoj strategiji pumpanja tekućine jer je održavanje nepropusnosti ključno za učinkovito prenošenje pritiska. Jedinstvena geometrija ventila presudna je za njihov rad. Oni djeluju poput sklopivih klipova, a pumpanjem u suprotnim smjerovima omogućuju neprekidan protok otrova”, pojasnila je.

Znanstvenici dosad nisu izravno promatrali ovaj proces

Unatoč dugogodišnjem zanimanju za žalce opnokrilaca, skupine kukaca kojoj pripadaju i pčele, izravan uvid u mehanizam pumpanja otrova dosad je izostajao.

U svojem radu istraživači navode da, unatoč trajnom znanstvenom interesu za žalce opnokrilaca, dosad nisu postojala izravna promatranja samog procesa pumpanja otrova. Zbog toga je razumijevanje biomehanike njegova ubrizgavanja ostalo ograničeno.

Pčelinji žalac pritom ima nekoliko osobitosti koje ga čine prikladnim za takva istraživanja. Relativno je velik u usporedbi s nekim drugim sličnim strukturama, poluproziran je i može se tijekom uboda odvojiti od tijela pčele. Taj se proces naziva autotomija, odnosno odbacivanje dijela tijela.

Upravo su te značajke omogućile istraživačima da detaljno snime unutarnje dijelove žalca i promatraju njihovo funkcioniranje tijekom ubrizgavanja otrova.

Rezultati su otkrili da žalac nije samo pasivna, oštra struktura koja se zabija u kožu. Naprotiv, riječ je o složenom biološkom sustavu koji može samostalno pokretati svoje dijelove i nastaviti isporučivati otrov i nakon odvajanja od tijela pčele.

Mehanizam pčelinjeg žalca razlikuje se od onoga kod drugih opnokrilaca

Prema dosadašnjim saznanjima, takav samostalan sustav pumpanja jedinstven je za radilice pčele medarice. Znanstvenici navode da sličan mehanizam dosad nije zabilježen kod drugih pripadnika reda opnokrilaca.

Druge vrste iz te skupine otrov ubrizgavaju drukčijim mehanizmom. Umjesto dvaju naizmjenično pokretnih klipova, koriste valovite kontrakcije koje se šire duž otrovnog kanala. Taj je način rada donekle usporediv s kretanjem hrane kroz ljudski probavni sustav, gdje mišićne kontrakcije potiskuju sadržaj kroz probavni trakt.

Pčelinji žalac, s druge strane, po načinu rada više podsjeća na neke uređaje koje su izradili ljudi, primjerice na štrcaljke koje se koriste za ubrizgavanje lijekova.

Ipak, postoji važna razlika. Uobičajena štrcaljka ima jedan relativno krut klip unutar komore. Takav sustav ne može se ponovno napuniti bez stvaranja povratnog toka tekućine. Pčelinji žalac, zahvaljujući dvama fleksibilnim elementima koji se izmjenjuju u radu, može nastaviti potiskivati otrov bez prekida.

„Dvostruki klip čini sustav složenijim, ali upravo je to ključ njegove sposobnosti da neprekidno isporučuje otrov unutar malene, samostalne jedinice”, istaknula je Ramirez-Esquivel.

Može li pčelinji žalac nadahnuti razvoj novih medicinskih uređaja?

Otkriće ne otkriva samo dosad nedovoljno poznate pojedinosti o biologiji pčela nego otvara i mogućnost primjene tih spoznaja u tehnologiji.

Znanstvenici smatraju da bi načelo rada pčelinjeg žalca moglo poslužiti kao nadahnuće za razvoj novih uređaja namijenjenih medicinskim postupcima ili znanstvenim istraživanjima. Posebno je zanimljiva mogućnost stvaranja malenih sustava koji mogu neprekidno prenositi tekućinu bez prekida i bez neželjenog povratnog toka.

Takva bi tehnologija mogla biti korisna u razvoju uređaja za precizno doziranje ili prijenos tekućina, no riječ je zasad o mogućoj primjeni znanstvenog otkrića, a ne o već razvijenom medicinskom proizvodu.

Pčelinji žalac pokazuje kako prirodni sustavi mogu ostvariti vrlo učinkovit rad u iznimno malom prostoru. Njegova kombinacija dvaju fleksibilnih klipova, naizmjeničnog gibanja i kontinuiranog protoka otrova predstavlja primjer biološkog rješenja koje bi moglo potaknuti nove inženjerske ideje.