研究者らは、ミツバチの毒針が体から離れた後も毒を送り込み続ける仕組みを直接観察した。高速カラー映像には、一対の刺針が動くのに合わせて2つの柔軟な弁が形を変える様子が捉えられた。これらは小型の二重ピストンポンプを構成し、組織の内部で自律的に作動できる。

米国科学アカデミー紀要（PNAS）に掲載されたこの研究は、ミツバチの働きバチに特有の性質を扱っている。働きバチは毒針を突き刺した後、その器官を残して飛び去ることができ、残された毒針はさらに深く入り込みながら毒を送り続ける。自切と呼ばれるこの自己切り離しの仕組みは、毒腺や貯蔵部を囲む筋肉に依存する毒の注入機構とは異なる。

ミツバチの毒針には、互いにかみ合って毒液の通路を形づくる3つの構造要素がある。中央の針状体は途中で幅が広がり、主要なポンプ室を形成する。その両側で、2本の鋭い刺針が前後に滑り、組織を貫くとともに毒を移動させる。こうした構成要素は知られていたが、ポンプの動きそのものが直接撮影されたことはなかった。

研究チームは生きた働きバチを採集し、ピンセットで毒針を取り出して、その一部を人工ゲルに差し込んだ。実体顕微鏡と高速映像によって構造の動きを記録した。構成要素が部分的に半透明であるため、研究者らは映像を1コマずつ分析し、ポンプ室内の動きを追跡できた。

映像では、それぞれの刺針に付いた弁が、動作の周期に合わせて繰り返し変形していた。下向きに動く際には、弁がパラシュートのような形に広がってポンプ室の壁に密着し、圧力をかけて毒を対象へ押し出す。上向きに動く際には弁が折り畳まれる。刺針が交互に動く中で、弁は中央付近で出会うと再び変形し、互いにすれ違えるようになる。

この逆向きの動作によって、毒の逆流を抑えながら流れを持続させる。共著者でマッコーリー大学のフィオレラ・ラミレス＝エスキベル氏は、弁を折り畳み可能なピストンと説明し、その形状によって、体から切り離された小さな機構でも注入を続けられるとしている。予備的な流れの可視化実験でも、高速映像で観察された結果と整合する結果が得られた。

研究者らは続いてマイクロCTスキャンを用い、ポンプの拡大模型を3Dプリンターで作製した。この人工システムを1コマずつ分析すると、生物の毒針で見られた動きが再現され、提案された機械的な説明を裏付けた。

弁の材料特性や、毛細管現象が果たす可能性のある役割については、なお疑問が残る。試作品からは、必要な変形には非常に高い弾性と低い摩擦が重要であることが示唆された。毒針ほどの小さなスケールでは、毛細管力が毒を通路に引き込む助けになる可能性もあれば、逆に組織から液体を反対方向に引き込む可能性もある。

ハチの毒針はすでに、マイクロニードルなど組織に関わる機器の開発に着想を与えている。今回の知見は、2つの柔軟なピストンが、これほど小さな自律機構の中で流れを維持する仕組みを説明することで、小型の医療用ポンプやマイクロ流体ポンプに新たなモデルを提供する可能性がある。