Written by Joe Ballenger

Szia, egy Lego League csapatban vagyok az iskolámmal, és szeretnénk többet megtudni a pókokról a kutatási projektünkhöz. Néhány kérdés, amiben remélem tudtok segíteni nekünk: Mitől olyan erős és ragadós a pókháló? Még erősebb lenne, ha nagyobb lenne, hogy megtartson egy embert?

Köszönöm az egész csapatom nevében!!!

A pókselyem nagyon erős anyag. Egyetlen szál pókselyem képes azonnal elkapni és megállítani egy repülő rovart a súlyának tízezerszeresét, anélkül, hogy elszakadna. A tudósokat érdekli ennek a tulajdonságnak a hasznosítása mindennapi viselet, golyóálló mellény és más védőruházat számára. Nagyon sokan érdeklődnek az iránt, hogy kémiai szempontból hogyan lehet ezt megvalósítani.

Ez tehát egy nagyon szép kérdés, és a Lego Liga mindenképpen érdeklődik ez iránt szerkezeti kémiai szempontból. Azonban van egy kulturális összetevője is ennek a konkrét kérdésnek, ami szerintem nagyon szép.

Elég sokat lógok (szóviccnek szántam) köteleken, és nemrég csatlakoztam egy tornateremhez, ahol egyfajta performansz művészetet tanítanak, amit úgy hívnak, hogy légselyem. Ez egy olyan performanszművészet, ahol a táncos úgy mozog, hogy egy erős szövetbe burkolózva felfüggeszti magát.

Amikor elkezdtem kutatni ebben a témában, rákérdeztem, hogy milyen szövetet használnak ebben a fajta performanszban. Megdöbbenve tapasztaltam, hogy az anyag, amit ezek az emberek használnak, nejlon, és nem selyem.

Szóval mi az a selyem, miért szuper erős, és miért nem készítünk belőle mászófelszerelést?

Az első dolog, amit le kell szögeznünk, hogy a pókselyem nem a legerősebb anyag, amit az ember ismer. A szénszál négyszer akkora terhelést bír el, mint a pókselyem, de nem olyan rugalmas. Amint a szénszál megnyúlik, akár csak egy kicsit is, elpattan. Emiatt jó helyettesítője olyan dolgoknak, amelyeket általában fémből készítenek… de a ruházatban használt szálaknak nem nagyszerű helyettesítője. Az acélnál ugyanez a helyzet… a szakítószilárdsága egy szinten van a pókselyemmel, de sokkal nehezebb és közel sem olyan rugalmas.

A pókselyem általunk kedvelt tulajdonsága nem az ereje, hanem a szívóssága. Bár az erőt és a szívósságot olyan dolgokra asszociálhatjuk, mint a jellemvonások, az anyagtudósok szemében ezek nagyon különbözőek. Míg az erő az, hogy mekkora súlyt tudsz lógni egy kábelen, addig a szívósság az, hogy milyen erősen tudsz megütni valamit anélkül, hogy eltörnéd.

Ez elvezet minket a pókselyemhez, ami megint csak egy elég bonyolult téma, mert. Körülbelül 7 különböző típusú selymet tudnak a pókok fonni, bár sokan nem rendelkeznek ezzel az arzenállal. Ezt a 7 típust különböző célokra használják, teljesen eltérő tulajdonságokkal és eltérő kémiai összetétellel rendelkeznek.

Ragadós, nyújtható és erős

A pókháló főleg háromféle selyemből áll: Flagelliform, aggregált és vontatott selyem. A vonóselyem a legstrapabíróbb selyem, és ezt próbálják utánozni a tudósok, amikor ruhadarabokat próbálnak készíteni belőle.

Mitől olyan ragadós a pókselyem?

A flagelliform selyem az, ami megragadja a zsákmányt. Képes megnyúlni és deformálódni, közel 30-szorosára nyúlni, anélkül, hogy elszakadna. Célja, hogy megállítsa a rovar sebességét, a tényleges megállító erőt a vonóselyem biztosítja, amelyhez kapcsolódik. A zászlós selyem azonban valójában nem ragadja meg a rovart. Ezt a feladatot az aggregátorselyem végzi.

Az aggregát selyem összetételében hasonlít a selyemhez, kivéve, hogy cukrokat ragasztanak a felületére. Ezeket a cukrokat OH-csoportok borítják, amelyeket sok elektronnal rendelkező atomcsoportok vonzanak. Ezek az egyedi vonzások gyengék, de ha sok van belőlük, akkor nagyon erőssé válnak.

Ez a trükk az egész állatvilágban ismétlődik. A halak ikrái például glikoproteinek segítségével ragaszkodnak a dolgokhoz. A vizelettel elválasztott karbamid szintén hatékony a hidrogénkötésben. Nemcsak a rétegelt lemezek összeragasztásához használják ragasztóanyagként, hanem az izzólegy lárvák is ezt használják arra, hogy selymüket ragacsossá tegyék.

A pókháló egészének ereje annak köszönhető, hogy képes a zsákmánytárgyakhoz tapadni, valamint annak, hogy képes azokat lassítani anélkül, hogy eltörne.

Miért olyan erős a selyem?

A pókoktól a legkönnyebben gyűjthető, és egyben a legkeményebb is a vonóselyem. Mivel ilyen könnyű begyűjteni, ez az a selyem, amelyről a legtöbbet tudunk.

A selyem egy óriási prion, egyfajta fehérjekristály. A spinerette belsejében selyemdarabkákból áll, amelyek egy folyékony közegben vannak felfüggesztve. Ahogy extrudálódik, a molekulák összekapcsolódnak, és egy óriási fonalat hoznak létre, amely a pók fenekéből jön ki.

Az, hogy hogyan kapcsolódnak össze, vita tárgya, és ebbe most nem fogok belemenni. A röntgenkrisztallográfiának köszönhetően azonban tudjuk, hogyan néznek ki a molekulák, és sokkal egyszerűbb lesz, ha a molekulánál kezdjük, és felfelé haladunk.

A molekuláktól a pókhálóig

Mivel ez a kérdés egy olyan csapattól érkezett, amely versenyszerűen legózik, nézzük meg, hogyan kapcsolódnak össze ezek a molekulák. A molekula fontos struktúrái a fehérje merev részei, az úgynevezett béta-lapok, amelyek hidrogénkötésekkel erősítik meg magukat:

Itt egy röntgenkrisztallográfiás “fénykép” egy egyedi selyemmolekuláról:

Azok a sárga szegmensek a béta-lapok, és ezek tartják össze a fehérjét. A végén lévő anyagot többnyire egy másik típusú szerkezet, az úgynevezett alfa-hélixek alkotják. A béta-lemezek tartják össze a molekulát, míg az alfa-hélixek lehetővé teszik, hogy a molekula egy kicsit megnyúljon. A pókselyem egy csomó ilyen molekulából áll, amelyek egymáshoz vannak ragasztva, és a hidrogénkötések maximalizálásával erősítik egymást.

Íme, hogyan ragadnak össze ezek a molekulák:

A pókselyem szerkezetében ezek az egyes molekulák összekapcsolódnak, és kristályokat alkotnak a szálon belül. Ezeket a kristályokat rugalmasabb szálak tartják lazán össze. A béta-hálókon belüli hidrogénkötés erős szerkezetet hoz létre, amely több szinten is megerősített. A rugalmas fehérjeszerkezetek teszik lehetővé, hogy a pókselyem rugalmas és nyújtható legyen.

A kristályok és fehérjeszerkezetek e laza gyűjteménye egy kötelet alkot… és a pók több kötelet fon. Ezeket a köteleket néhány fehérjeréteg tartja össze, és ez egy újabb erősítő réteget biztosít:

Ha felnagyítanánk, használhatnánk-e a selymet emberek megtartására?

Ezt a kérdést nehéz megválaszolni, mert valójában még nem tudunk nagy köteleket készíteni pókselyemből. Ahhoz, hogy optimális erősséggel fonódjon, az állat testén kívül előállított bármilyen selyem kémiai feltételeinek tökéletesnek kell lennie. Még nem vagyunk egészen a nagyüzemi gyártásnál, bár lehet, hogy egyre közelebb kerülünk hozzá.

Ettől függetlenül segít, ha van valamilyen összehasonlítási alapunk. A hegymászókötelek nyúlós nejlonból készülnek, és egy szál a legerősebb pókselyem, amit valaha feljegyeztek, arányaiban 18-szor erősebb. A selyemhernyóselyem, amit tömegesen állítanak elő, arányaiban kb. 6-szor erősebb. A hernyóselymet már évezredek óta tömegesen gyártjuk, tehát ez egy elég jó modell.”

Meg kell említeni, hogy a fenti információ az egyedileg fonott szálakat hasonlítja össze egy kereskedelmi forgalomban kapható mászókötéllel. Az előkészítési módszerek, a páratartalom, a szövet szövésének módja, és még olyan dolgok is, mint a színezékek, befolyásolhatják a kereskedelmi forgalomban kapható termékek szilárdságát. Míg egy egyedi selyemszál, akár pók-, akár hernyóselyem, körülbelül olyan erős, mint a mászókötélben használt egyedi nejlonszál… Nem vagyok különösebben boldog ezzel az összehasonlítással.

Úgy érzem, hogy az egyetlen módja annak, hogy megfelelően megválaszoljuk ezt a kérdést, az, hogy megvizsgáljuk az emberek megtartására tervezett, kereskedelmileg készített termékeket. Itt jön vissza a légi selyem.

Ez egy nejlonszöveten végzett tánc, ami azt jelenti, hogy össze tudom hasonlítani ennek a szövetnek a szakítószilárdságát a kereskedelmi forgalomban kapható selyemszövettel. A légi selyemszövet (ismét nejlonból készült) valamivel több mint 1100 kg-ot bír el. A surah viszont 30 kg szakítószilárdsággal rendelkezik. Ez jóval alatta van mindannak, amivel én valaha is megtámasztanám magam. A köteleknek vagy a légselyemnek legalább a súlyod tízszeresét kell bírnia ahhoz, hogy biztonságosan használhasd.

A selyemnek vannak olyan alkalmazásai, amelyeket emberek megtartására használtak, de a második világháborút követő hiány és kereskedelmi megállapodások a selymet az ilyen típusú védőfelszerelések készítéséhez használt szövetből ruházatra változtatták. A selyem elkészítési módja drasztikusan megváltoztathatja a szilárdságát, így a selyemből készült dolgok nem biztos, hogy erősebbek, mint a nejlonból készültek, még ha az egyes szálak erősebbek is.

A lényeg

A biomimetika területe az elmúlt néhány évben igazán nagy előrelépéseket tett a pókselyem reprodukálása terén, de a pókselyem és az in vitro előállítási rendszerek közötti hatalmas biokémiai különbségek megnehezítették ezt. A selyem luxuscikként való megítélése és az ezzel kapcsolatos gazdasági szempontok miatt a biztonsági felszerelésekben használt nejlon előnyben részesült a selyemmel szemben, annak ellenére, hogy a selyem számos mérés alapján feltételezhetően jobb.

A selyem, akár pókból, akár rovarból származik, nagyon erős anyag, bár ezt gyakran összekeverik a szívóssággal. A tipikus hálót építő pók húzószála valójában körülbelül olyan erős, mint egy tipikus nejlonszál, bár a szívóssága több mint kétszer akkora. A kereskedelmi előkészítés ezt számos okból drasztikusan megváltoztathatja, és ugyanaz a szál más-más méretben más tulajdonságokkal rendelkezhet egy egész sor tényező miatt.

A mesterséges pókselyem előállításában a legnagyobb előrelépés ezen a héten történt. Tudósok egy csoportja azonosította a selyemfehérjék különböző szakaszait, amelyek jobban oldódtak a selyem előállításához használt körülmények között, és összeolvasztotta őket. Az eredmény egy olyan tömegesen előállítható pókselyem lett, amely fele olyan kemény és 1/4 olyan erős, mint a pókok által fonott selyem.

Szóval haladunk… de még hosszú út áll előttünk.

Works Cited