Written by Joe Ballenger

Ahoj, jsem ve školním týmu Lego ligy a chceme se dozvědět více o pavoucích pro náš výzkumný projekt. Doufám, že nám pomůžete s několika otázkami: Co dělá pavoučí síť tak pevnou a lepkavou? Je ještě silnější, kdyby byla větší, aby udržela člověka?“

Děkuji ti za celý svůj tým!“

Pavoučí hedvábí je opravdu silná věc. Jediné vlákno pavoučího hedvábí dokáže okamžitě zachytit a zastavit letící hmyz o desetitisícinásobné hmotnosti, aniž by se přetrhlo. Vědci se zajímají o využití této vlastnosti pro každodenní nošení, neprůstřelné vesty a další ochranné oděvy. Z chemického hlediska je velký zájem o to, jak toho dosáhnout.

Takže je to opravdu zajímavá otázka a Lego liga se o to z hlediska strukturní chemie určitě zajímá. Nicméně je tu také kulturní složka této konkrétní otázky, která je podle mě elegantní.

Dost často se pohybuju (slovní hříčka) na lanech a nedávno jsem se přidal k tělocvičně, která vyučuje druh performančního umění zvaného vzdušné hedvábí. Je to druh performančního umění, při kterém se tanečník pohybuje tak, že se zavěsí tak, že se omotá silnou látkou.

Když jsem začínal dělat výzkum na toto téma, zeptal jsem se na látku, která se při tomto druhu performance používá. Byl jsem šokován, když jsem zjistil, že látka, kterou tito lidé používají, je nylon, a ne hedvábí.

Takže co je to hedvábí, proč je super silné a proč z něj nevyrábíme horolezecké vybavení?

V první řadě bychom měli zdůraznit, že pavoučí hedvábí není nejsilnějším materiálem, který člověk zná. Uhlíkové vlákno zvládne čtyřikrát větší zátěž než pavoučí hedvábí, ale není tak pružné. Jakmile se karbonové vlákno roztáhne, byť jen trochu, praskne. Z tohoto důvodu je dobrou náhradou za věci, které by se normálně vyráběly z kovu… ale není to skvělá náhrada za vlákna používaná v oděvech. Ocel má to samé… její pevnost v tahu je srovnatelná s pavoučím hedvábím, ale je mnohem těžší a není zdaleka tak pružná.

Vlastnosti, které se nám na pavoučím hedvábí líbí, nejsou jeho pevnost, ale houževnatost. Ačkoli si sílu a houževnatost můžeme spojovat ve věcech, jako jsou charakterové vlastnosti, v očích materiálových vědců jsou to velmi odlišné vlastnosti. Zatímco pevnost je to, jak velká váha může viset na laně, houževnatost je to, jak silně můžete do něčeho udeřit, aniž byste to zlomili.

Tím se dostáváme k pavoučímu hedvábí, což je opět trochu komplikované téma, protože. Existuje asi 7 různých druhů hedvábí, které mohou pavouci spřádat, i když mnozí tímto arzenálem nedisponují. Těchto 7 typů se používá k různým účelům, má zcela odlišné vlastnosti a různé chemické složení.

Lepivé, pružné a pevné

Pavoučí síť se skládá především ze tří typů hedvábí: Bičíkaté, agregátové a vláčecí. Tažné hedvábí je nejpevnější a vědci se ho snaží napodobit, když se z něj snaží vyrobit oděvy.

Co dělá pavoučí hedvábí tak lepkavým?

Bičíkaté hedvábí je to, co zachycuje kořist. Dokáže se natahovat a deformovat, protáhne se téměř 30x na svou délku, aniž by se přetrhlo. Jeho účelem je zastavit rychlost hmyzu, přičemž skutečnou brzdnou sílu poskytuje tažné hedvábí, s nímž je spojeno. Bičíkaté hedvábí se však ve skutečnosti hmyzu nedotýká. Tuto úlohu plní agregátní hedvábí.

Agregátové hedvábí je svým složením podobné hedvábí, jen má na povrchu přilepené cukry. Tyto cukry jsou pokryty skupinami OH, které jsou přitahovány skupinami atomů, které mají hodně elektronů. Tyto jednotlivé přitažlivosti jsou slabé, ale když je jich hodně, stávají se velmi silnými.

Tento trik se opakuje v celé živočišné říši. Například rybí jikry používají glykoproteiny, aby se přichytily k věcem. Močovina, vylučovaná v moči, je také účinná při vytváření vodíkových vazeb. Nejenže se používá jako lepidlo ke slepení překližky, ale larvy světlušek ji používají k tomu, aby jejich hedvábí bylo lepkavé.

Síla pavoučí sítě jako celku je dána její schopností přilnout ke kořisti a také schopností zpomalit ji, aniž by se přetrhla.

Proč je hedvábí tak silné?“

Pavoučí hedvábí se nejsnáze získává z pavouků a je také nejpevnější. Protože se tak snadno sklízí, je to hedvábí, o kterém toho víme nejvíc.

Hedvábí je obrovský prion, druh bílkovinného krystalu. Uvnitř spinerety se skládá z kousků hedvábí, které jsou suspendovány v tekutém prostředí. Při jeho vytlačování se molekuly spojují a vytvářejí obří vlákno, které vychází z pavoučího zadečku.

Jak se spojují, je předmětem diskuse a já se do toho zde nebudu pouštět. Nicméně díky rentgenové krystalografii víme, jak molekuly vypadají, a bude mnohem jednodušší začít u molekuly a postupovat nahoru.

Od molekul k pavučině

Protože tato otázka přišla od týmu, který si hraje soutěžně s legem, podívejme se, jak jsou tyto molekuly spojeny. Důležitými strukturami v molekule jsou tuhé části bílkoviny zvané beta-listy, které se zpevňují pomocí vodíkových vazeb:

Tady je rentgenová krystalografická „fotografie“ jednotlivé molekuly hedvábí:

Ty žluté segmenty jsou beta-listy a drží protein pohromadě. To, co je na konci, je většinou tvořeno jiným typem struktury, které se nazývá alfa-helices. Beta-listy drží molekulu pohromadě, zatímco alfa-šroubovice umožňují, aby se molekula trochu roztáhla. Pavoučí hedvábí je hromada těchto molekul slepených dohromady a způsob, jakým jsou slepeny, se navzájem zpevňuje tím, že maximalizuje tyto vodíkové vazby.

Tady je vidět, jak jsou tyto molekuly slepeny dohromady:

Ve struktuře pavoučího hedvábí se tyto jednotlivé molekuly spojují a vytvářejí krystaly uvnitř vlákna. Tyto krystaly jsou volně drženy pohromadě pružnějšími vlákny. Vodíková vazba v rámci beta-listů vytváří pevnou strukturu, která je vyztužena na více úrovních. Flexibilní proteinové struktury umožňují pavoučímu hedvábí být pružné a roztažitelné.

Tento volný soubor krystalů a proteinových struktur tvoří lano… a pavouk spřádá více lan. Tato lana jsou držena pohromadě několika vrstvami bílkovin, a to poskytuje další vrstvu výztuže:

Pokud by se zvětšila, mohli bychom hedvábí použít k udržení lidí?“

Na tuto otázku je těžké odpovědět, protože ve skutečnosti ještě neumíme z pavoučího hedvábí vyrobit velká lana. Aby mohlo být upředeno v optimální síle, musí být chemické podmínky jakéhokoli hedvábí vyrobeného mimo tělo zvířete dokonalé. Zatím ještě nejsme u velkovýroby, i když se k ní možná blížíme.

Nezávisle na tom pomáhá mít nějaké srovnání. Horolezecká lana se vyrábějí z pružného nylonu a vlákno nejpevnějšího zaznamenaného pavoučího hedvábí je v poměru k němu 18krát pevnější. Hedvábí bource morušového, které se vyrábí v masovém množství, je v poměru asi 6krát pevnější. Housenkové hedvábí masově vyrábíme už tisíce let, takže je to docela dobrý model.

Je třeba zmínit, že výše uvedené informace porovnávají individuálně spředená vlákna s komerčně připraveným horolezeckým lanem. Metody přípravy, vlhkost, způsob tkaní a dokonce i takové věci jako barviva mohou ovlivnit pevnost komerčně připravených výrobků. Zatímco jednotlivé vlákno hedvábí, ať už pavoučího, nebo housenkového, je zhruba stejně pevné jako jednotlivé vlákno nylonu používaného v horolezeckém laně… Toto srovnání mě nijak zvlášť netěší.

Mám pocit, že jediný způsob, jak správně odpovědět na tuto otázku, je podívat se na komerčně připravené výrobky určené k držení lidí. Tady se vrací letecké hedvábí.

Tento tanec se provádí na nylonové tkanině, což znamená, že mohu porovnat pevnost v přetržení této tkaniny s komerčně připravenou hedvábnou tkaninou. Letecká hedvábná tkanina (opět vyrobená z nylonu) unese něco přes 1100 kg. Sura má naproti tomu pevnost v přetržení 30 kg. To je mnohem méně než cokoli, čím bych se kdy opíral. Lana nebo vzdušné hedvábí musí být schopné udržet alespoň desetinásobek vaší hmotnosti, abyste je mohli bezpečně používat.“

Existují aplikace hedvábí, které se používaly k udržení lidí, ale nedostatek a obchodní dohody po druhé světové válce změnily hedvábí z látky používané k výrobě těchto druhů ochranných pomůcek na oblečení. Způsob přípravy hedvábí může drasticky změnit jeho pevnost, takže věci vyrobené z hedvábí nemusí být pevnější než věci vyrobené z nylonu, i když jednotlivá vlákna mohou být pevnější.

Podtrženo a sečteno

Obor biomimetiky udělal v posledních několika letech opravdu velký pokrok v reprodukci pavoučího hedvábí, ale obrovské rozdíly v biochemii mezi pavoučí sítnicí a systémy výroby in vitro to ztěžují. Pověst hedvábí jako luxusního zboží a s tím spojená ekonomika upřednostnily nylon pro použití v bezpečnostním vybavení před hedvábím, přestože je hedvábí podle mnoha měření hypoteticky lepší.

Hedvábí, ať už z pavouka nebo hmyzu, je velmi pevný materiál, i když se to často zaměňuje s houževnatostí. Typický pavoučí tahoun, který staví pavučinu, je ve skutečnosti zhruba stejně pevný jako typické nylonové vlákno, ačkoli jeho houževnatost je více než dvakrát vyšší. Komerční příprava ji může z řady důvodů drasticky změnit a stejné vlákno v jiném měřítku může mít kvůli celé řadě faktorů odlišné vlastnosti.

Největší posun ve výrobě umělého pavoučího hedvábí nastal tento týden. Skupina vědců identifikovala různé části hedvábných proteinů, které měly lepší rozpustnost v podmínkách, jež používali k výrobě hedvábí, a spojila je dohromady. Výsledkem bylo masově vyrobitelné pavoučí hedvábí, které je o polovinu pevnější a o čtvrtinu silnější než hedvábí, které spřádají pavouci.

Takže se k tomu dostáváme… ale máme před sebou ještě dlouhou cestu.

Citované práce

.