Samenvatting van het proefschrift: Biomechanics of a parasitic wasp ovipositor - Probing for answers

Verschillende insecten, zoals muggen, wantsen en parasitaire wespen, boren naar voedselbronnen in diverse substraten. De voedselbronnen zitten vaak diep verborgen in het substraat en kunnen alleen bereikt worden met een lange en dunne (slanke) boor. Slanke boren kunnen echter makkelijk buigen of knikken, en daardoor beschadigen, wanneer ze in het substraat worden geduwd. Dit maakt het boren met een slanke boor dan ook een lastige opgave. De eerder genoemde insecten zijn echter in staat om zonder schade hun slanke boor herhaaldelijk te gebruiken. Daarnaast bevatten de boren ook sensoren om het doel te vinden en kunnen de boren naar het doel gestuurd worden. Bovendien kunnen de boren gebruikt worden om vloeistoffen (bloed of floëemvloeistof) uit te zuigen of om eieren af te zetten. Deze insectboren zijn dus zeer veelzijdig en voldoen aan heel veel functie-eisen zoals stevigheid, om knikken te voorkomen, stuurbaarheid, waarnemingsvermogen en transportmogelijkheden. Vergelijkbare eisen worden ook gesteld aan instrumenten die gebruikt worden bij minimaal-invasieve medische ingrepen, waarbij slanke instrumenten worden gebruikt om schade aan de patiënt te minimaliseren. Als we begrijpen hoe de boren van deze insecten werken, begrijpen we niet alleen de ecologie en de evolutionaire geschiedenis van deze dieren beter, maar kunnen we deze kennis ook gebruiken voor de ontwikkeling van nieuwe minimaal-invasieve medische instrumenten. In dit proefschrift ligt de nadruk voornamelijk op de mechanische eigenschappen van de legboor van een parasitaire wesp en hoe deze wordt aangedreven. Andere elementen die belangrijk zijn voor het functioneren van de
legboor worden zijdelings behandeld.

In hoofdstuk 2 geven we een overzicht over wat er op dit moment in de literatuur bekend is over de borende structuren van muggen, parasitaire wespen en wantsen, en hoe zij werken. Muggen en wantsen boren met speciaal aangepaste monddelen terwijl parasitaire wespen een specifieke buisvormige structuur (legboor) aan het achterlijf (abdomen) gebruiken. Ondanks dat de monddelen en de legboor uit totaal verschillende delen van het lichaam ontwikkelen zijn ze op drie kenmerken vergelijkbaar. Dit kan er op duiden dat deze kenmerken bepaald worden door de functie-eisen die aan deze borende structuren worden gesteld zoals het voorkomen van knikken en de stuurbaarheid van de boor. Deze kenmerken zijn: (i) de boren bestaan uit meerdere, onderling verbonden delen die over de lengteas langs elkaar kunnen schuiven, (ii) de diameter van de boren is zeer klein, waardoor er geen ruimte is voor interne spieren, en (iii) de punt van de boren zijn asymmetrisch en hebben over het algemeen kartelingen, haakjes, of knobbels.

Eén manier waarop knikken in een slanke borende structuur met meerdere elementen voorkomen kan worden is beschreven in het zogenaamde ‘push–pull mechanism’ (druk-en-trek mechanisme). Volgens de theorie achter dit mechanisme beweegt de boor in het substraat als gevolg van het heen-en-weer bewegen van de individuele elementen, waarbij op het zelfde moment sommige elementen naar voren worden geduwd, terwijl aan andere elementen wordt getrokken. De uitsteeksels op de punt van de boor zijn dusdanig gericht dat zij ervoor zorgen dat de elementen waaraan getrokken wordt vast blijven zitten. Hierdoor komen deze elementen onder spanning te staan waardoor dit deel van de boor stijver wordt, net als bij een touw waar aan getrokken wordt. Deze stijve elementen kunnen nu als een geleide worden gebruikt voor de elementen die dieper het substraat in worden geduwd, waardoor het risico op knikken sterk vermindert. Door vervolgens het deel wat het diepst in het substraat gestoken is onder spanning te zetten en te gebruiken als geleide voor een ander legboordeel kan de boor stapsgewijs veilig verder het substraat in worden geduwd. Tot nu toe is dit mechanisme puur theoretisch en nog niet getoetst. Het is daarom onzeker of insecten inderdaad gebruik maken van dit mechanisme.

De asymmetrische vorm van de punt van de boor draagt hoogstwaarschijnlijk bij aan het sturingsmechanisme. Deze vorm leidt tot asymmetrische reactiekrachten van het substraat op de punt waardoor de punt zijdeling wordt weggeduwd wat resulteert in een gebogen pad. Als de asymmetrie van de punt gecontroleerd verandert kan worden, kan dus ook de richting van boren worden gecontroleerd. Hoewel de vorm van de punt al enigszins verandert door alleen de voor-achterwaartse verschuiving van de legboordelen, is het te verwachten dat deze veranderingen te klein zijn om de boor in een scherpe bocht te duwen. Er zijn een aantal hypotheses over hoe de boor wel in scherpere bochten kan worden gestuurd, maar deze zijn zelden in levende dieren gezien of geanalyseerd. Het is dus nog in hoge mate onduidelijk hoe de insecten hun boren precies sturen. Daarnaast is het ook onbekend of het materiaal waarin geboord wordt invloed heeft op hoe goed de dieren kunnen boren
en sturen in het substraat.

Om de werking van het boren door insecten beter te begrijpen hebben wij het boren van de braconide, parasitaire wesp Diachasmimorpha longicaudata bestudeerd. Dit is een ideale soort om het boren te bestuderen omdat deze wespen (i) een slanke legboor hebben van enkele millimeters lengte, (ii) boren in massief substraat (citrusvruchten) en (iii) hun eieren leggen in fruitvlieglarven die vrij door de vruchten kruipen, waardoor verwacht kan worden dat ze de legboor moeten kunnen sturen. De legboor van D. longicaudata lijkt op die van andere dieren uit de orde van de vliesvleugeligen (Hymenoptera) en bestaat uit drie onderling verbonden delen, een aan de rugzijde (dorsaal) en twee aan de buikzijde (ventraal). De legboordelen zijn verbonden via een soort messing-en-groef verbinding, die het glijden van de elementen langs elkaar mogelijk maakt, maar losraken voorkomt. De legboor heeft een asymmetrische punt met een knobbel op de dorsale zijde en zaagtanden aan de ventrale zijde. Net achter de puntregio zit een karakteristieke S-vormige bocht in de legboor, die alleen bij D. longicaudata en nauw verwante soorten wordt gezien. Buiten het lichaam is de legboor omgeven door een tweeledige schede die de legboor beschermd en ondersteund, maar die niet in het substraat wordt geduwd.

In hoofdstuk 3 beschrijven we de kinematica (bewegingen) van de legboor tijdens
het boren in doorzichtige, kunstmatige substraten van verschillende stijfheid (stevigheid). De boorbewegingen (inserties) werden gefilmd met drie camera’s, wat het mogelijk maakte om de bewegingen tijdens de insertie drie dimensionaal te reconstrueren. Tegelijkertijd werd met een derde camera ook de oriëntatie van het lichaam van de wesp gefilmd. Hiermee hebben we aangetoond dat de wespen vanuit ´e´en insertiepunt een zeer groot deel van het substraat kunnen bereiken en ongeacht hun lichaamspositie in alle richtingen kunnen boren. Het bereik en de snelheid van boren nam af met toegenomen stijfheid van het substraat. We namen ook waar dat de wespen twee manieren van boren gebruikte. In zachte substraten werden alle legboordelen tegelijkertijd in het substraat geduwd. In stijve substraten bewogen de wespen de legboordelen alternerend, wat wijst op het gebruik van het ‘push–pull’ mechanisme. Bovendien werd duidelijk dat de wespen de legboor in gebogen paden konden sturen in het substraat. Gedetailleerde analyse van de bewegingspatronen toonde aan dat de legboor een gebogen pad ging volgen als de ventrale legboordelen gemiddeld vaker het meest vooruitgestoken waren dan het dorsale legboordeel. In het geval dat het dorsale legboordeel gemiddeld het meest vooruitgestoken was leidde dit tot een rechte, niet gebogen, boorpad. We hebben deze verschillen in boorrichting gekoppeld aan een vormverandering van de legboorpunt. Als de ventrale legboordelen voor het dorsale legboordeel uitsteken, buigt hun punt in de richting van de dorsale zijde, wat resulteert in een grotere asymmetrie die waarschijnlijk resulteert in de door ons waargenomen richtingsverandering.

In hoofdstuk 4 hebben we het hierboven beschreven sturingsmechanisme van D. longicaudata bestudeerd door de stijfheid (buigzaamheid) te meten van de legboor en de individuele legboordelen. Dit is gedaan met behulp van een zogenaamd driepuntsbuigexperiment. Daarnaast hebben we de geometrie van de legboor bepaald met behulp van hoge resolutie computer tomografie (CT). Tot slot hebben we kwalitatief de materiaalsamenstelling van de legboor bepaald met behulp van fluorescentiemicroscopie. De dikke knobbel op de dorsale zijde van de legboor zorgt ervoor dat de legboor op die plek moeilijk buigt. Als de knobbel langs de S-bocht komt te liggen door verplaatsing van de legboordelen zorgt dat ervoor dat de totale legboor zich strekt en de S-bocht verdwijnt. Omdat het middelste deel van de S-bocht gestrekt wordt kan dit leiden tot een de buiging van de punt van de ventrale legboordelen in dorsale richting. Het gedeelte van de legboor met de S-bocht is significant flexibeler dan de punt en de rest van de legboor, wat voornamelijk veroorzaakt wordt door de aanwezigheid van resiline, een rubberachtig eiwit wat het normaal gesproken zeer stijve exoskelet soepeler maakt. Daarnaast was het ook duidelijk dat de ventrale legboordelen over vrijwel de gehele lengte stijver zijn dan het dorsale legboordeel. De uitzondering hierop is waarschijnlijk de dikke knobbel op het dorsale legboordeel, hoewel we dit niet direct konden meten. De geometrie toont echter aan dat dit het dikste en daarom stijfste deel is van het uiteinde van de legboor.
In lucht resulteert het verschuiven van de ventrale delen naar voren of naar achteren altijd in het strekken (en dus verdwijnen) van de S-bocht en het naar dorsaal buigen van de punt van de legboor. Tijdens boren in een substraat zien we de buiging omhoog echter alleen bij het naar voren schuiven van de ventrale delen. We veronderstellen dat dit het gevolg is van de interactie tussen de legboor en het substraat. Het schuin aflopende uiteinde van de ventrale delen zorgt voor reactiekrachten van het substraat die de punt naar dorsaal duwen, terwijl het schuin aflopende uiteinde van het dorsale deel juist zorgt voor krachten die de punt naar ventraal duwen. De interactie tussen de ventrale en dorsale delen van de legboor zorgt dat de S-bocht verdwijnt en dat de legboorpunt naar dorsaal wordt geduwd. Als de ventrale delen vooruit worden geschoven zorgt de asymmetrische punt voor een versterking van de dorsale buiging, terwijl als het dorsale deel het meeste uitsteekt de reactiekrachten de dorsale buiging juist tegenwerken, wat resulteert in een recht pad van de legboor.

In hoofdstuk 2 en 3 beschrijven we hoe wespen gebruik maken van alternerende bewegingen van de legboordelen tijdens het boren in stijve substraten. Aangezien het kan worden aangenomen dat er bij gewoon duwen grote krachten nodig zijn om in deze stijve substraten te boren, is het aannemelijk dat de alternerende bewegingen bijdragen aan het voorkomen van knikken van de legboor. Hoe groot de krachten zijn die de wesp kan uitoefenen is echter nog nooit bepaald. In hoofdstuk 5 hebben we daarom gekeken naar de basis van de legboor die zorgt voor de beweging van de legboordelen en de spieren die daar aanhechten. Aan de basis van de legboor zitten de schuifbare delen van de legboor via een serie van gewrichten verbonden aan plaatvormige structuren. De spieren hechten aan op de platen. Door de platen te bewegen, bewegen ze indirect de schuivende delen van de legboor zelf. Om goed inzicht te krijgen in de werking van dit mechanisme hebben we hoge resolute computer tomografie (CT) afbeeldingen gemaakt van wespen met de schuifbare delen van de legboor in verschillende posities, zodanig dat we een overzicht kregen van de mogelijke bewegingen binnen de basis van de legboor. Hierdoor waren we in staat om de veranderingen in het systeem waar te nemen en de dwarsdoorsnede door de spieren en hun aanhechtingen te bepalen. Daarnaast bepaalden we de momentarmen, krachten en momenten van de spieren die een rol spelen in de aansturing van de legboor en zijn onderdelen. De kracht werd bepaald door schaling van reeds bekende treksterktes van andere insectspieren. Alleen voor de ventrale delen van de legboor konden de krachten die de wesp kan uitoefenen op het substraat bepaald worden. Onze analyse toonde aan dat het dorsale legboordeel alleen verplaatst kan worden samen met de basis van de legboor die verbonden zit aan het achterlijf (abdomen). Aangezien het abdomen op verschillende manieren verplaatst kan worden konden we geen eenduidige schatting maken van de kracht die door het dorsale deel kan worden uitgeoefend.

De afstand waarover de platen van de basis verplaatst kunnen worden correleert sterk met de afstand waarover de schuivende delen van de legboor kunnen verplaatsen, wat aangeeft dat deze inderdaad gekoppeld zijn. We laten zien dat vooral de ventrale delen van de legboor bewegen tijdens het boren en dat het dorsale element nauwelijks verplaatst ten opzichte van het lichaam. Dit suggereert dat de ventrale elementen langs het dorsale element schuiven, terwijl het dorsale element alleen met het achterlijf meebeweegt. Voor de situatie waarbij de wesp het achterlijf volkomen stil houdt hebben we de maximale kracht berekend die door de ventrale delen kan worden uitgeoefend. De maximale krachten die op de legboor kunnen worden uitgeoefend overschrijden de kracht die kan leiden tot het knikken van de legboor als deze niet ondersteund wordt. Als we ervan uitgaan dat deze maximale krachten worden uitgeoefend tijdens het boren, zijn ondersteunende structuren of mechanismen nodig om schade aan de legboor te voorkomen. In het geval van de legboor kan deze buiten het substraat ondersteund worden door de schedes, maar ook door het gebruiken van het ‘push–pull’ mechanisme, of beide. De netto drukkracht die we berekenen als we de geschatte maximale trek- en duwkrachten van de ventrale delen van elkaar aftrekken is iets hoger dan de kracht die leidt tot knikken en dus is de combinatie van het ‘push–pull’ mechanisme en gebruik van de schede waarschijnlijk voldoende om schade aan het externe deel van de legboor te voorkomen.

In dit proefschrift laat ik zien hoe boren met meerdere schuivende legboordelen in het substraat kunnen worden gestoken door deze alternerend naar voren te schuiven. Deze manier van boren lijkt essentieel voor het boren in stijve substraten, waar waarschijnlijk anders hoge duwkrachten op de elementen voor vereist zijn. Dit is in overeenstemming met de hypothese dat de alternerende beweging het knikken van de legboor kan voorkomen. Daarnaast is de alternerende beweging ook van belang voor het sturen van de legboor tijdens het boren. Het vooruitsteken van een of enkele elementen zorgt voor een vormverandering in de legboorpunt wat in combinatie met reactiekrachten van het substraat leidt tot het buigen van de legboor. Tijdens de evolutie van de wespen zijn verschillende structuren ontstaan die de vormverandering en het effect hiervan op de baan van de legboor vergroten. Onze resultaten zijn relevant voor een breed publiek. Entomologen, evolutionair biologen en ecologen kunnen onze resultaten gebruiken als zij kijken naar de adaptieve radiatie van borende insecten, hun evolutionaire succes en de ecologische interacties (bv insect-plant, parasiet-gastheer). Daarnaast kan onze analyse van antiknik- en stuurmechanismen bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe kunstmatige sondes, aangezien onze bevindingen bij kunnen dragen aan het minimaliseren van de dikte van de sonde en de verbetering van de sturingsmechanismen, wat beide bijdraagt aan verminderde weefselschade tijdens inserties. Onze bevindingen zijn met name interessant voor de ontwikkeling van slanke, stuurbare naalden voor minimaal-invasieve chirurgie.