خون ماده قابل توجهی است: باید در داخل رگ‌های خونی مایع باقی بماند، اما در سریع‌ترین زمان ممکن خارج از آنها لخته شود تا خونریزی متوقف شود. آبشار شیمیایی که این امکان را فراهم می کند برای خون مهره داران به خوبی درک شده است. اما همولنف، معادل خون در حشرات، ترکیب بسیار متفاوتی دارد، به ویژه فاقد گلبول های قرمز، هموگلوبین و پلاکت است و به جای گلبول های سفید برای دفاع ایمنی، دارای سلول های آمیب مانند به نام هموسیت است.

درست مانند خون، همولنف به سرعت در خارج از بدن لخته می شود. اینکه چگونه این کار را انجام می دهد مدت هاست که یک معما باقی مانده است. اکنون، دانشمندان مواد نشان داده اند مرزها در ماده نرم چگونه این شاهکار توسط کرم‌های پروانه ابوالهول کارولینا مدیریت می‌شود. به گفته نویسندگان، این کشف کاربردهای بالقوه ای برای پزشکی انسانی دارد.

در اینجا نشان می‌دهیم که این کرم‌ها که کرم شاخدار تنباکو نامیده می‌شوند، می‌توانند زخم‌ها را در یک دقیقه ببندند. آنها این کار را در دو مرحله انجام می دهند: اول، در عرض چند ثانیه، همولنف نازک و آب مانند آنها “ویسکوالاستیک” یا لزج می شود و همولنف چکاننده به سمت زخم برمی گردد.” گروه علوم و مهندسی مواد دانشگاه کلمسون.

در مرحله بعد، هموسیت‌ها تجمع می‌کنند، از سطح زخم شروع می‌شوند و به سمت بالا حرکت می‌کنند تا لایه همولنف پوششی را در بر بگیرند که در نهایت تبدیل به پوسته‌ای می‌شود که زخم را می‌بندد.

چالش برانگیز برای مطالعه

کرم شاخدار تنباکوی کاملاً رشد کرده آماده شفیره شدن بین 7.5 تا 10 سانتی متر طول دارد. آنها فقط حاوی مقدار کمی همولنف هستند که معمولاً در عرض چند ثانیه لخته می شود و مطالعه با روش های معمولی را دشوار می کند.

به این دلایل، کورنف و همکارانش مجبور شدند تکنیک‌های جدیدی را برای مطالعه حاضر توسعه دهند و سریع کار کنند. با این حال، نرخ شکست برای پیچیده‌ترین دستکاری‌ها بسیار زیاد بود (تا 95٪) که به تلاش‌های زیادی نیاز داشت.

آنها کرم های شاخکی را در یک آستین پلاستیکی مهار کردند و از طریق پنجره ای که در آستین بود، در یکی از پاهای کاترپیلار زخم خفیفی ایجاد کردند. آن‌ها سپس با یک توپ فلزی، همولنف چکه‌کننده را لمس کردند، که کنار کشیده شد و یک «پل» همولنف (حدود دو میلی‌متر طول و صدها میکرومتر عرض) ایجاد کرد که متعاقباً باریک شد و شکست و قطرات ماهواره‌ای تولید کرد. کورنف و همکاران این وقایع را با دوربین با نرخ فریم بالا و لنز ماکرو فیلمبرداری کرد تا آنها را با جزئیات بررسی کند.

تغییر آنی در خواص

این مشاهدات نشان می دهد که در طول تقریباً پنج ثانیه اول پس از شروع جریان، همولنف مشابه آب رفتار می کند: از نظر فنی، مانند یک مایع نیوتنی با ویسکوزیته کم. اما در 10 ثانیه بعد، همولنف دچار یک تغییر مشخص شد: اکنون فوراً شکسته نشد، بلکه یک پل طولانی در پشت قطره سقوط کرد. به طور معمول، خونریزی بعد از 60 تا 90 ثانیه، پس از تشکیل پوسته روی زخم، به طور کامل متوقف می شود.

کورنف و همکاران با قرار دادن یک نانومیله نیکل به طول 10 میکرومتر در قطره ای از همولنف تازه، خواص جریان همولنف را بیشتر مورد مطالعه قرار داد. هنگامی که یک میدان مغناطیسی دوار باعث چرخش نانومیله شد، تأخیر آن نسبت به مغناطیس تخمینی از توانایی همولنف برای عقب نگه داشتن میله از طریق ویسکوزیته می دهد.

آنها به این نتیجه رسیدند که در عرض چند ثانیه پس از خروج از بدن، همولنف کاترپیلار از یک مایع کم چسبناک به مایع ویسکوالاستیک تبدیل می شود.

یک مثال خوب از مایع ویسکوالاستیک بزاق است. هنگامی که قطره ای را بین انگشتان خود بمالید، مانند آب رفتار می کند: دانشمندان مواد می گویند که این قطره کاملاً چسبناک است. اما به لطف مولکول‌های بسیار بزرگی به نام موسین در آن، بزاق زمانی که انگشتان خود را از هم دور می‌کنید، پلی تشکیل می‌دهد. بنابراین، به درستی ویسکوالاستیک نامیده می شود: زمانی که آن را برش می دهید چسبناک و زمانی که آن را کشش می دهید، الاستیک است.

دکتر کنستانتین کورنف، استاد گروه علوم و مهندسی مواد، دانشگاه کلمسون

دانشمندان در ادامه از میکروسکوپ فاز نوری کنتراست و پلاریزه، تصویربرداری اشعه ایکس و مدل‌سازی علم مواد برای مطالعه فرآیندهای سلولی که توسط آنها هموسیت‌ها برای تشکیل پوسته روی زخم تجمع می‌یابند، استفاده کردند. آنها این کار را نه تنها در پروانه‌های اسفینکس کارولینا و کرم‌های آنها، بلکه در 18 گونه حشره دیگر نیز انجام دادند.

هموسیت ها کلیدی هستند

نتایج نشان داد که همولنف تمام گونه های مورد مطالعه به طور مشابهی به برش واکنش نشان داد. اما واکنش آن به کشش بین همولنف غنی از هموسیت کاترپیلارها و سوسک‌ها از یک سو و همولنف فقیر از هموسیت پروانه‌ها و پروانه‌های بالغ از سوی دیگر تفاوت زیادی داشت: قطرات دراز شدند تا پل‌هایی را برای دو مورد اول تشکیل دهند، اما بلافاصله. برای دومی شکست.

کورنف می‌گوید: «به نظر می‌رسد تبدیل همولنف به مایع ویسکوالاستیک به کرم‌ها و سوسک‌ها کمک می‌کند تا هر گونه خونریزی را متوقف کنند و قطرات چکه‌کننده را در چند ثانیه به سمت زخم برگردانند. ما به این نتیجه رسیدیم که همولنف آنها توانایی خارق‌العاده‌ای در تغییر آنی خواص مواد خود دارد. برخلاف حشرات و عنکبوت‌های مولد ابریشم که اندام خاصی برای ساختن الیاف دارند، این حشرات می‌توانند رشته‌های همولنف را در هر مکانی در هنگام زخم بسازند.

دانشمندان به این نتیجه رسیدند که هموسیت ها در تمام این فرآیندها نقش کلیدی دارند. اما اینکه چرا کرم ها و سوسک ها نسبت به پروانه ها و پروانه های بالغ به هموسیت بیشتری نیاز دارند هنوز ناشناخته است.

اکتشافات ما راه را برای طراحی ضخیم‌کننده‌های خون انسان باز می‌کند. ما لزوماً نیازی به کپی برداری دقیق از بیوشیمی نداریم، بلکه باید روی طراحی داروهایی تمرکز کنیم که می توانند خون را به ماده ویسکوالاستیک تبدیل کنند که خونریزی را متوقف می کند. ما امیدواریم که یافته‌های ما به انجام این وظیفه در آینده نزدیک کمک کند.»