Written by Joe Ballenger

Hej, jeg er med på et Lego League-hold på min skole, og vi vil gerne vide mere om edderkopper til vores forskningsprojekt. Nogle spørgsmål, som jeg håber du kan hjælpe os med, er: Hvad gør et edderkoppespind så stærkt og klæbrigt? Er det endnu stærkere, hvis det var større, så det kunne holde en person?

Tak fra hele mit hold!!!

Spindelsilke er virkelig stærkt. En enkelt tråd af edderkoppesilke kan øjeblikkeligt fange og stoppe et flyvende insekt, der vejer titusindvis af gange sin vægt, uden at gå i stykker. Forskere er interesserede i at udnytte denne egenskab til hverdagstøj, skudsikre veste og andet beskyttelsesbeklædning. Der er stor interesse for, hvordan man kan gøre dette ud fra et kemisk synspunkt.

Så det er et rigtig fint spørgsmål, og Lego League er bestemt interesseret i dette ud fra et strukturkemisk perspektiv. Men der er også en kulturel komponent i dette særlige spørgsmål, som jeg synes er smart.

Jeg hænger (med ordspil) en del ud på reb, og jeg har for nylig meldt mig ind i et fitnesscenter, som underviser i en form for performancekunst kaldet aerial silk. Det er en type performancekunst, hvor en danser bevæger sig ved at hænge sig selv op ved at vikle sig ind i et stærkt stof.

Da jeg begyndte at lave research om dette emne, spurgte jeg om det stof, der bruges i denne form for performance. Jeg blev chokeret over at finde ud af, at det stof, som disse mennesker bruger, er nylon og ikke silke.

Så hvad er silke, hvorfor er det superstærkt, og hvorfor laver vi ikke klatreudstyr med det?

Den første ting, vi bør påpege, er, at edderkoppesilke ikke er det stærkeste materiale, som mennesket kender. Kulfiber kan klare fire gange så stor belastning som edderkoppesilke, men det er ikke så elastisk. Så snart kulfiber strækker sig, selv en lille smule, knækker det. Derfor er det en god erstatning for ting, der normalt ville være lavet af metal … men det er ikke en god erstatning for fibre, der bruges i tøj. Stål har det samme… dets trækstyrke er på niveau med edderkoppesilke, men det er langt tungere og ikke nær så fleksibelt.

De egenskaber, vi kan lide ved edderkoppesilke, er ikke dens styrke, men dens sejhed. Selv om vi måske forbinder styrke og sejhed med ting som karaktertræk, er de meget forskellige i materialeforskernes øjne. Mens styrke er, hvor meget vægt du kan lade dingle på et kabel, er sejhed, hvor hårdt du kan ramme noget uden at knække det.

Dette bringer os til edderkoppesilke, som igen er et ret kompliceret emne, fordi. Der er omkring 7 forskellige typer silke edderkopper kan spinde, selvom mange ikke har dette arsenal til deres rådighed. Disse 7 typer bruges til en række forskellige formål, har helt forskellige egenskaber og forskellige kemiske sammensætninger.

Klæbrig, strækbar og stærk

Et edderkoppespind består hovedsageligt af tre typer silke: Flagelliform, aggregeret silke og slæbesilke. Dragline-silke er den hårdeste silke, og det er den, som forskerne forsøger at efterligne, når de prøver at lave tøj af stoffet.

Hvad gør edderkoppesilke så klæbrig?

Flagelliform silke er det, der fanger byttet. Det er i stand til at strække og deformere sig og strække sig næsten 30 gange sin længde, uden at det går i stykker. Dens formål er at standse insektets hastighed, idet den egentlige stopkraft leveres af den slæbesilke, som den er forbundet med. Den flagelliforme silke griber dog ikke fat i insektet. Den opgave klares af aggregatsilken.

Aggregatsilke ligner silke i sin sammensætning, bortset fra at den har sukkerstoffer, der sidder fast på overfladen. Disse sukkerstoffer er dækket af OH-grupper, som tiltrækkes af grupper af atomer, der har mange elektroner. Disse individuelle tiltrækninger er svage, men når der er mange af dem, bliver de meget stærke.

Dette trick er et trick, som gentages i hele dyreriget. Fiskeæg bruger f.eks. glycoproteiner til at klæbe til ting. Urea, der udskilles i urinen, er også effektiv til at binde hydrogenbindinger. Ikke alene bruges det som lim til at holde krydsfiner sammen, men også larver af glimmerfluer bruger det til at gøre deres silke klæbrig.

Styrken af et edderkoppespind som helhed skyldes dets evne til at klæbe til byttedyr, samt dets evne til at bremse dem uden at gå i stykker.

Hvorfor er silke så stærk?

Draglinjesilke er den letteste at høste fra edderkopper, og det er også den hårdeste. Fordi det er så let at høste, er det den silke, vi ved mest om.

Silke er en gigantisk prion, en slags proteinkrystal. Inde i spineretten består den af silkestumper, der er suspenderet i et flydende medium. Når det ekstruderes, forbindes molekylerne og skaber en gigantisk tråd, som kommer ud af edderkoppens numse.

Hvordan de forbindes er et spørgsmål om diskussion, og det vil jeg ikke komme ind på her. Men takket være røntgenkrystallografi ved vi, hvordan molekylerne ser ud, og det vil være meget enklere at starte ved molekylet og arbejde os opad.

Fra molekyler til spindelvæv

Da dette spørgsmål kom fra et hold, der leger med lego i konkurrencer, skal vi se på, hvordan disse molekyler er forbundet med hinanden. De vigtige strukturer i molekylet er stive dele af proteinet kaldet beta-sheets, som forstærker sig selv gennem hydrogenbindinger:

Her er et røntgenkrystallografisk “fotografi” af et individuelt silkemolekyle:

Disse gule segmenter er beta-sheets, og de holder proteinet sammen. Det, der ligger for enden, består for det meste af en anden type struktur, kaldet alfa-helicer. Beta-sheets holder molekylet sammen, mens alfa-helicer giver molekylet mulighed for at strække sig en smule. Edderkoppesilke er en masse af disse molekyler, der sidder sammen, og den måde, de sidder sammen på, forstærker hinanden ved at maksimere disse hydrogenbindinger.

Her er, hvordan disse molekyler sidder sammen:

I strukturen af edderkoppesilke knytter disse individuelle molekyler sig sammen og danner krystaller i tråden. Disse krystaller holdes løst sammen af mere fleksible tråde. Hydrogenbindingen inden for beta-sheets skaber en stærk struktur, som er forstærket på flere niveauer. De fleksible proteinstrukturer gør det muligt for edderkoppesilken at være fleksibel og strækbar.

Denne løse samling af krystaller og proteinstrukturer danner et reb … og edderkoppen spinder flere reb. Disse reb holdes sammen med et par proteinlag, og det giver endnu et lag af forstærkning:

Hvis det skaleres op, kunne vi så bruge silke til at holde mennesker fast?

Dette spørgsmål er svært at svare på, fordi vi faktisk ikke kan lave store reb af edderkoppesilke endnu. For at blive spundet med den optimale styrke skal de kemiske forhold i enhver silke, der produceres uden for dyrets krop, være perfekte. Vi er ikke helt nået til produktion i stor skala endnu, selv om vi måske er ved at nærme os.

Uanset hvad hjælper det at have en sammenligning af en eller anden art. Klatretove er lavet af strækbart nylon, og en streng den stærkeste edderkoppesilke, der er registreret, er 18 gange stærkere i forhold. Silkeormesilke, som produceres i store mængder, er ca. 6 gange stærkere i forhold. Vi har masseproduceret larvesilke i tusindvis af år, så det er en ret god model.

Det skal nævnes, at ovenstående oplysninger sammenligner individuelt spundne tråde med et kommercielt fremstillet klatretov. Præparationsmetoder, fugtighed, den måde, stoffet er vævet på, og selv ting som farvestoffer kan påvirke styrken af kommercielt fremstillede produkter. Mens en individuel tråd af silke, enten fra edderkopper eller larver, er omtrent lige så stærk som en individuel tråd af nylon, der bruges i klatretov … Jeg er ikke særlig glad for denne sammenligning.

Jeg føler, at den eneste måde at besvare dette spørgsmål korrekt på er ved at se på kommercielt fremstillede produkter, der er designet til at holde mennesker. Det er her, at luftsilke kommer ind i billedet igen.

Dette er en dans udført på nylonstof, hvilket betyder, at jeg kan sammenligne brudstyrken af dette stof med kommercielt fremstillet silkestof. Luftsilkestof (igen lavet af nylon) kan holde lidt over 1100 kg. Surah har på den anden side en brudstyrke på 30 kg. Det er langt under noget, som jeg nogensinde ville støtte mig selv med. Reb eller luftsilke skal kunne holde til mindst 10 gange din vægt for at kunne bruges sikkert.

Der er anvendelser af silke, som er blevet brugt til at holde mennesker, men mangel og handelsaftaler efter 2. verdenskrig ændrede silke fra et stof, der blev brugt til at lave denne slags beskyttelsesudstyr, til tøj. Den måde, hvorpå silke fremstilles, kan ændre styrken drastisk, så ting lavet af silke er måske ikke stærkere end ting lavet af nylon, selv om de enkelte tråde måske er stærkere.

Bottom Line

Feltet biomimetik har gjort nogle virkelig store fremskridt inden for reproduktion af edderkoppesilke i de sidste par år, men de store forskelle i biokemi mellem edderkoppens spinderette og in-vitro produktionssystemer har gjort dette vanskeligt. Silkens ry som et luksusprodukt og den dermed forbundne økonomi har favoriseret nylon til brug i sikkerhedsudstyr frem for silke på trods af, at silke hypotetisk set er bedre efter mange målinger.

Silke, uanset om det er fra en edderkop eller et insekt, er et meget stærkt materiale, selv om dette ofte sammenblandes med sejhed. Din typiske webbyggende edderkoppedrag er faktisk omtrent lige så stærk som en typisk nylontråd, selv om dens sejhed er mere end dobbelt så høj. Kommerciel fremstilling kan ændre dette drastisk af en række årsager, og den samme fiber i en anden skala kan have forskellige egenskaber på grund af en lang række faktorer.

Det største skridt i fremstillingen af kunstig edderkoppesilke skete i denne uge. En gruppe forskere identificerede forskellige dele af silkeproteinerne, som havde bedre opløselighed under de betingelser, de brugte til at fremstille silken, og smeltede dem sammen. Resultatet var en masseproducerbar edderkoppesilke, der er halvt så hård og 1/4 så stærk som den silke, som edderkopper spinder.

Så vi er ved at nå dertil … men der er lang vej igen.

Works Cited