Written by Joe Ballenger

Hallo, ich bin mit meiner Schule in einem Lego League Team und wir wollen für unser Forschungsprojekt mehr über Spinnen wissen. Einige Fragen, bei denen ich hoffe, dass du uns helfen kannst, sind: Was macht ein Spinnennetz so stark und klebrig? Ist es noch stärker, wenn es größer wäre, um einen Menschen zu halten?

Danke von meinem ganzen Team!!!

Spinnenseide ist ein wirklich starkes Material. Ein einziger Strang Spinnenseide kann ein fliegendes Insekt, das das Zehntausendfache seines Gewichts wiegt, sofort fangen und aufhalten, ohne zu zerbrechen. Wissenschaftler sind daran interessiert, diese Eigenschaft für Alltagskleidung, kugelsichere Westen und andere Schutzkleidung nutzbar zu machen. Es gibt ein großes Interesse daran, wie man dies aus chemischer Sicht bewerkstelligen kann.

Es ist also eine wirklich interessante Frage, und die Lego-Liga ist sicherlich aus strukturchemischer Sicht daran interessiert. Es gibt aber auch eine kulturelle Komponente in dieser Frage, die ich sehr interessant finde.

Ich hänge viel auf Seilen herum (Wortspiel beabsichtigt) und bin seit kurzem Mitglied in einem Fitnessstudio, das eine Art von Performance-Kunst namens Aerial Silk unterrichtet. Dabei handelt es sich um eine Art Performance-Kunst, bei der sich ein Tänzer in einem starken Stoff hängend bewegt.

Als ich anfing, zu diesem Thema zu recherchieren, fragte ich nach dem Stoff, der bei dieser Art von Performance verwendet wird. Ich war schockiert, als ich feststellte, dass der Stoff, den diese Leute verwenden, Nylon und nicht Seide ist.

Was ist also Seide, warum ist sie superstark und warum wird keine Kletterausrüstung daraus hergestellt?

Zunächst sollten wir darauf hinweisen, dass Spinnenseide nicht das stärkste Material ist, das der Mensch kennt. Kohlefaser kann viermal so stark belastet werden wie Spinnenseide, aber sie ist nicht so elastisch. Sobald sich die Kohlefaser auch nur ein wenig dehnt, reißt sie. Aus diesem Grund ist sie ein guter Ersatz für Dinge, die normalerweise aus Metall hergestellt werden… aber sie ist kein guter Ersatz für Fasern, die in Kleidung verwendet werden. Mit Stahl verhält es sich ähnlich… seine Zugfestigkeit ist der von Spinnenseide ebenbürtig, aber er ist viel schwerer und nicht annähernd so flexibel.

Die Eigenschaften, die wir an Spinnenseide schätzen, sind nicht ihre Stärke, sondern ihre Zähigkeit. Obwohl wir Stärke und Zähigkeit mit Dingen wie Charaktereigenschaften in Verbindung bringen, sind sie in den Augen der Materialwissenschaftler sehr unterschiedlich. Während Stärke bedeutet, wie viel Gewicht man an einem Kabel baumeln lassen kann, bedeutet Zähigkeit, wie hart man auf etwas einschlagen kann, ohne dass es zerbricht.

Das bringt uns zu Spinnenseide, die wiederum ein ziemlich kompliziertes Thema ist, denn. Es gibt etwa 7 verschiedene Arten von Seide, die Spinnen spinnen können, aber viele haben dieses Arsenal nicht zur Verfügung. Diese 7 Arten werden für verschiedene Zwecke verwendet, haben völlig unterschiedliche Eigenschaften und unterschiedliche chemische Zusammensetzungen.

Klebrig, dehnbar und stark

Ein Spinnennetz besteht hauptsächlich aus drei Arten von Seide: Flagelliform, Aggregat und Schleppseide. Schleppseide ist die widerstandsfähigste Seide und wird von Wissenschaftlern nachgeahmt, wenn sie versuchen, daraus Kleidungsstücke herzustellen.

Was macht Spinnenseide so klebrig?

Flagelliforme Seide ist das, was die Beute einfängt. Sie kann sich dehnen und verformen, bis zum 30-fachen ihrer Länge, ohne zu reißen. Ihr Zweck ist es, die Geschwindigkeit des Insekts zu bremsen, wobei die eigentliche Bremskraft von der Schleppseide ausgeht, mit der sie verbunden ist. Die Geißelseide hält das Insekt jedoch nicht wirklich fest. Diese Aufgabe wird von der Aggregatseide übernommen.

Aggregatseide ähnelt in ihrer Zusammensetzung der Seide, außer dass sie Zucker enthält, die an der Oberfläche haften. Diese Zucker sind mit OH-Gruppen bedeckt, die von Gruppen von Atomen angezogen werden, die viele Elektronen haben. Diese einzelnen Anziehungskräfte sind schwach, aber wenn es viele von ihnen gibt, werden sie sehr stark.

Dieser Trick wird im gesamten Tierreich angewandt. Fischeier zum Beispiel benutzen Glykoproteine, um an Dingen zu haften. Harnstoff, der mit dem Urin ausgeschieden wird, ist ebenfalls ein effizienter Wasserstoffbinder. Er wird nicht nur als Klebstoff verwendet, um Sperrholz zusammenzukleben, sondern auch von Glühwürmchenlarven, um ihre Seide klebrig zu machen.

Die Stärke eines Spinnennetzes als Ganzes ist auf seine Fähigkeit zurückzuführen, an Beutetieren zu haften und sie zu verlangsamen, ohne zu zerreißen.

Warum ist Seide so stark?

Die Schleppseide ist die am einfachsten zu erntende Seide von Spinnen, und sie ist auch die stärkste. Weil sie so leicht zu ernten ist, ist sie die Seide, über die wir am meisten wissen.

Seide ist ein riesiges Prion, eine Art Proteinkristall. Im Inneren der Spinnerei besteht sie aus Seidenstücken, die in einem flüssigen Medium suspendiert sind. Beim Extrudieren verbinden sich die Moleküle und bilden einen riesigen Faden, der aus dem Hintern der Spinne herauskommt.

Wie sie sich verbinden, ist umstritten, und ich werde hier nicht näher darauf eingehen. Dank der Röntgenkristallographie wissen wir jedoch, wie die Moleküle aussehen, und es wird viel einfacher sein, beim Molekül anzufangen und uns nach oben vorzuarbeiten.

Vom Molekül zum Spinnennetz

Da diese Frage von einem Team kam, das wettbewerbsmäßig mit Lego spielt, wollen wir uns einmal ansehen, wie diese Moleküle miteinander verbunden sind. Die wichtigen Strukturen im Molekül sind steife Teile des Proteins, die so genannten Betafächer, die sich durch Wasserstoffbrückenbindungen verstärken:

Hier ist ein Röntgenkristallographie-„Foto“ eines einzelnen Seidenmoleküls:

Diese gelben Segmente sind Beta-Faltblätter, die das Protein zusammenhalten. Das Zeug am Ende besteht größtenteils aus einer anderen Art von Struktur, den sogenannten Alpha-Helices. Die Beta-Sheets halten das Molekül zusammen, während die Alpha-Helices dem Molekül erlauben, sich ein wenig zu dehnen. Spinnenseide besteht aus einem Haufen dieser Moleküle, die aneinander kleben, und die Art und Weise, wie sie aneinander kleben, verstärkt sich gegenseitig, indem die Wasserstoffbrückenbindungen maximiert werden.

So kleben diese Moleküle aneinander:

In der Struktur der Spinnenseide verbinden sich diese einzelnen Moleküle miteinander und bilden Kristalle innerhalb des Fadens. Diese Kristalle werden von flexibleren Fäden locker zusammengehalten. Die Wasserstoffbrückenbindungen in den Betafilamenten sorgen für eine starke Struktur, die auf mehreren Ebenen verstärkt wird. Die flexiblen Proteinstrukturen ermöglichen es der Spinnenseide, flexibel und dehnbar zu sein.

Diese lose Ansammlung von Kristallen und Proteinstrukturen bildet ein Seil…und die Spinne spinnt mehrere Seile. Diese Seile werden durch mehrere Proteinschichten zusammengehalten, die eine weitere Verstärkungsschicht bilden:

Könnten wir Seide in größerem Maßstab verwenden, um Menschen zu halten?

Diese Frage ist schwer zu beantworten, weil wir noch keine großen Seile aus Spinnenseide herstellen können. Um mit optimaler Stärke gesponnen werden zu können, müssen die chemischen Bedingungen jeder Seide, die außerhalb des Tierkörpers produziert wird, perfekt sein. Wir sind noch nicht ganz bei der Großproduktion angelangt, aber wir kommen vielleicht näher.

Auf jeden Fall ist es hilfreich, eine Art Vergleich zu haben. Kletterseile werden aus dehnbarem Nylon hergestellt, und ein Strang der stärksten Spinnenseide, die es gibt, ist im Verhältnis 18 Mal stärker. Seidenraupenseide, die in großen Mengen hergestellt wird, ist im Verhältnis etwa 6-mal stärker. Raupenseide wird seit Tausenden von Jahren in Massenproduktion hergestellt, so dass dies ein ziemlich gutes Modell ist.

Es sollte erwähnt werden, dass die obigen Angaben einen Vergleich zwischen individuell gesponnenen Fäden und einem kommerziell hergestellten Kletterseil darstellen. Vorbereitungsmethoden, Feuchtigkeit, die Art, wie der Stoff gewebt wird, und sogar Dinge wie Farbstoffe können die Festigkeit von kommerziell hergestellten Produkten beeinflussen. Ein einzelner Strang Seide, sei es von einer Spinne oder einer Raupe, ist ungefähr so stark wie ein einzelner Strang Nylon, der in einem Kletterseil verwendet wird… Ich bin nicht besonders glücklich mit diesem Vergleich.

Ich glaube, die einzige Möglichkeit, diese Frage richtig zu beantworten, ist die Betrachtung von kommerziell hergestellten Produkten, die dazu bestimmt sind, Menschen zu halten. Hier kommt die Luftseide wieder ins Spiel.

Dies ist ein Tanz auf Nylongewebe, was bedeutet, dass ich die Bruchfestigkeit dieses Gewebes mit kommerziell hergestelltem Seidengewebe vergleichen kann. Luftseidengewebe (ebenfalls aus Nylon) kann etwas mehr als 1100 kg halten. Surah hingegen hat eine Bruchfestigkeit von 30 kg. Das ist weit weniger als alles, womit ich mich jemals abstützen würde. Seile oder Luftseide müssen mindestens das Zehnfache des eigenen Gewichts aushalten, um sicher verwendet werden zu können.

Es gibt Anwendungen von Seide, die zum Festhalten von Menschen verwendet wurden, aber aufgrund von Engpässen und Handelsabkommen nach dem Zweiten Weltkrieg wurde Seide nicht mehr für die Herstellung dieser Art von Schutzausrüstung, sondern für Kleidung verwendet. Die Art und Weise, wie Seide aufbereitet wird, kann ihre Festigkeit drastisch verändern, so dass Dinge aus Seide nicht unbedingt stärker sind als Dinge aus Nylon, auch wenn die einzelnen Fäden stärker sein können.

Das Fazit

Das Gebiet der Biomimetik hat in den letzten Jahren große Fortschritte bei der Reproduktion von Spinnenseide gemacht, aber die großen Unterschiede in der Biochemie zwischen der Spinnenseide und den In-vitro-Produktionssystemen haben dies erschwert. Der Ruf von Seide als Luxusgut und die damit verbundenen wirtschaftlichen Aspekte haben dazu geführt, dass Nylon für die Verwendung in Sicherheitsausrüstungen gegenüber Seide bevorzugt wird, obwohl Seide bei vielen Messungen hypothetisch besser ist.

Seide, ob von einer Spinne oder einem Insekt, ist ein sehr starkes Material, obwohl dies oft mit Zähigkeit verwechselt wird. Die typische Schleppleine einer Spinne ist etwa so stark wie ein typischer Nylonfaden, obwohl ihre Zähigkeit mehr als doppelt so hoch ist. Die kommerzielle Aufbereitung kann dies aus einer Reihe von Gründen drastisch verändern, und dieselbe Faser kann in einem anderen Maßstab aufgrund einer ganzen Reihe von Faktoren andere Eigenschaften aufweisen.

Der größte Fortschritt bei der Herstellung künstlicher Spinnenseide erfolgte diese Woche. Eine Gruppe von Wissenschaftlern identifizierte verschiedene Abschnitte von Seidenproteinen, die unter den Bedingungen, die sie zur Herstellung der Seide verwendeten, besser löslich waren, und fusionierte sie zusammen. Das Ergebnis war eine in Massenproduktion herstellbare Spinnenseide, die halb so zäh und ein Viertel so stark ist wie die Seide, die Spinnen spinnen.

Wir kommen also voran… aber wir haben noch einen langen Weg vor uns.

Zitierte Werke