Written by Joe Ballenger
Ciao, sono in una squadra della Lego League con la mia scuola e vogliamo saperne di più sui ragni per il nostro progetto di ricerca. Alcune domande che spero tu possa aiutarci sono: cosa rende una ragnatela così forte e appiccicosa? Sarebbe ancora più forte se fosse più grande per contenere una persona?
Grazie da tutta la mia squadra!
La seta di ragno è davvero forte. Un singolo filo di seta di ragno può immediatamente catturare e fermare un insetto volante decine di migliaia di volte il suo peso, senza rompersi. Gli scienziati sono interessati a sfruttare questa proprietà per l’abbigliamento quotidiano, i giubbotti antiproiettile e altri indumenti protettivi. C’è molto interesse su come fare questo, da un punto di vista chimico.
Quindi è una domanda davvero pulita, e la Lego League è certamente interessata a questo dal punto di vista della chimica strutturale. Tuttavia, c’è anche una componente culturale a questa particolare domanda che penso sia pulita.
Sto un po’ sulle corde (gioco di parole), e recentemente sono entrato in una palestra che insegna un tipo di performance art chiamata seta aerea. Si tratta di un tipo di arte performativa in cui un ballerino si muove sospendendosi avvolgendosi in un tessuto resistente.
Quando ho iniziato a fare ricerche su questo argomento, ho chiesto informazioni sul tessuto utilizzato in questo tipo di performance. Sono rimasto scioccato nello scoprire che il tessuto usato da queste persone era il nylon, e non la seta.
Cos’è la seta, perché è super forte, e perché non ci facciamo attrezzature per l’arrampicata?
La prima cosa da sottolineare è che la seta di ragno non è il materiale più forte conosciuto dall’uomo. La fibra di carbonio può sopportare quattro volte il carico della seta di ragno, ma non è così elastica. Non appena la fibra di carbonio si allunga, anche di poco, si spezza. Per questo motivo, è un buon sostituto per cose che normalmente sarebbero fatte di metallo… ma non è un grande sostituto per le fibre usate nell’abbigliamento. L’acciaio ha la stessa cosa… la sua resistenza alla trazione è alla pari con la seta di ragno, ma è molto più pesante e non altrettanto flessibile.
Un ragno su una ragnatela che mangia ci mostra quanti diversi tipi di seta i ragni producono. Una singola ragnatela consiste di una seta robusta (seta dragline), collegata ad una seta elastica (seta flagelliforme), che è rivestita di una sostanza appiccicosa (seta aggregata). La seta dragline e la seta flagelliforme sono incollate insieme con cemento di attaccamento (seta piriforme), che è un quarto tipo di seta fatto dalle ghiandole della seta. Quando il ragno cattura una preda, ne trattiene il movimento usando la seta aciniforme. Non è mostrata la seta che ricopre le uova (seta cilindrica), o la seta di rinforzo (seta minore ampullata). Credito immagine: Jeroen Mul, via Flikr. Informazioni sulla licenza: CC BY-NC-SA 2.0. Immagine modificata dall’originale.
La proprietà che ci piace nella seta di ragno non è la sua forza ma la sua tenacità. Anche se possiamo associare forza e durezza in cose come i tratti del carattere, sono molto diversi agli occhi degli scienziati dei materiali. Mentre la forza è quanto peso si può far penzolare su un cavo, la durezza è quanto forte si può colpire qualcosa senza romperlo.
Questo ci porta alla seta di ragno, che ancora una volta, è un argomento complicato perché. Ci sono circa 7 diversi tipi di seta che i ragni possono filare, anche se molti non hanno questo arsenale a loro disposizione. Questi 7 tipi sono usati per una varietà di scopi, hanno proprietà completamente diverse e diverse composizioni chimiche.
Appiccicosa, elastica e forte
Una tela di ragno è composta principalmente da tre tipi di seta: Flagelliforme, aggregata, e trascinante. La seta a strascico è la seta più dura, ed è quella che gli scienziati cercano di emulare quando cercano di fare abiti con questa roba.
Cosa rende la seta di ragno così appiccicosa?
La seta flagelliforme è quella che cattura la preda. È in grado di allungarsi e deformarsi, allungandosi quasi 30 volte la sua lunghezza, senza rompersi. Il suo scopo è quello di arrestare la velocità dell’insetto, con il potere di arresto effettivo fornito dalla seta di trascinamento a cui è collegata. La seta flagelliforme non si aggrappa effettivamente all’insetto, tuttavia. Questo lavoro è fatto dalla seta aggregata.
Il legame a idrogeno è dimostrato usando molecole d’acqua. I legami idrogeno individuali sono deboli, ma diventano forti quando ce ne sono molti in una piccola area.
La seta aggregata è simile alla seta nella composizione, tranne che ha zuccheri attaccati alla superficie. Questi zuccheri sono coperti da gruppi OH, che sono attratti da gruppi di atomi che hanno molti elettroni. Queste attrazioni individuali sono deboli, ma quando ce ne sono molte, diventano molto forti.
Questo trucco si ripete in tutto il regno animale. Le uova di pesce, per esempio, usano glicoproteine per attaccarsi alle cose. Anche l’urea, secreta nell’urina, è efficiente nel legame a idrogeno. Non solo è usata come colla per attaccare insieme il compensato, ma le larve di mosca glowworm la usano per rendere la loro seta appiccicosa.
La forza di una ragnatela nel suo insieme è dovuta alla sua capacità di attaccarsi agli oggetti preda, così come alla sua capacità di rallentarli senza rompersi.
Perché la seta è così forte?
La seta dragline è la più facile da raccogliere dai ragni, ed è anche la più dura. Essendo così facile da raccogliere, è la seta che conosciamo di più.
La seta è un prione gigante, un tipo di cristallo proteico. All’interno della spineruola, è composta da pezzi di seta che sono sospesi in un mezzo liquido. Quando viene estrusa, le molecole si collegano e creano un filo gigante che esce dal sedere del ragno.
Come si collegano è una questione di dibattito, e non ho intenzione di entrarci qui. Tuttavia, grazie alla cristallografia a raggi X, sappiamo come sono fatte le molecole e sarà molto più semplice iniziare dalla molecola e andare verso l’alto.
Dalle molecole alle ragnatele
Siccome questa domanda viene da una squadra che gioca con i lego in modo competitivo, diamo un’occhiata a come sono collegate queste molecole. Le strutture importanti nella molecola sono parti rigide della proteina chiamate beta-sheets, che si rinforzano attraverso legami idrogeno:
Come funzionano le beta-sheets. La figura a sinistra è quella che ci interessa. Le linee tratteggiate sono i legami a idrogeno tra i segmenti della proteina. Image credit: Dcrjsr, via Wikipedia commons. Image credit: CC-by-3.0
Ecco una ‘fotografia’ di cristallografia a raggi X di una singola molecola di seta:
Seta di ragno sotto carico (iniziale), carico (estensione), e rottura (rottura). Image credit: Brahtzel & Buhler 2011
Questi segmenti gialli sono foglietti beta, e tengono insieme la proteina. La roba alla fine è per lo più costituita da un altro tipo di struttura, chiamata alfa-elica. I fogli beta tengono insieme la molecola, mentre gli alfa-elici permettono alla molecola di allungarsi un po’. La seta di ragno è un mucchio di queste molecole attaccate insieme, e il modo in cui sono attaccate insieme si rafforzano a vicenda massimizzando questi legami idrogeno.
Ecco come queste molecole sono attaccate insieme:
Image credit: Blackledge, 2012
Nella struttura della seta di ragno, queste singole molecole si collegano insieme per formare cristalli all’interno del filo. Questi cristalli sono tenuti insieme da corde più flessibili. Il legame idrogeno all’interno dei fogli beta crea una struttura forte, che è rinforzata a più livelli. Le strutture proteiche flessibili permettono alla seta di ragno di essere flessibile ed elastica.
Questo insieme sciolto di cristalli e strutture proteiche forma una corda… e il ragno gira più corde. Queste corde sono tenute insieme da un paio di strati di proteine, e questo fornisce un altro strato di rinforzo:
Image credit: Blackledge 2012
Se venisse scalata, potremmo usare la seta per tenere le persone?
Questa domanda è difficile da rispondere, perché non possiamo ancora fare grandi corde dalla seta di ragno. Per essere filata alla forza ottimale, le condizioni chimiche di qualsiasi seta prodotta fuori dal corpo dell’animale devono essere perfette. Non siamo ancora alla produzione su larga scala, anche se forse ci stiamo avvicinando.
In ogni caso, è utile avere un confronto di qualche tipo. Le corde da arrampicata sono fatte di nylon elastico, e un filo di seta di ragno più forte del mondo è 18 volte più forte in proporzione. La seta del baco da seta, prodotta in massa, è circa 6 volte più forte in proporzione. Abbiamo prodotto in massa la seta del bruco per migliaia di anni, quindi questo è un modello abbastanza buono.
Va detto che le informazioni di cui sopra sono confrontando fili filati individualmente con una corda da arrampicata preparata commercialmente. I metodi di preparazione, l’umidità, il modo in cui il tessuto è tessuto, e anche cose come i coloranti possono influenzare la forza dei prodotti preparati commercialmente. Mentre un singolo filo di seta, sia di ragno che di bruco, è forte quanto un singolo filo di nylon usato nelle corde da arrampicata… non sono particolarmente felice di questo confronto.
Sento che l’unico modo per rispondere correttamente a questa domanda è guardare ai prodotti preparati commercialmente e progettati per contenere persone. Qui è dove torna la seta aerea.
Questa è una danza eseguita su tessuto di nylon, il che significa che posso confrontare il carico di rottura di questo tessuto con il tessuto di seta preparato commercialmente. Il tessuto di seta aerea (di nuovo, in nylon) può reggere poco più di 1100 kg. Surah, invece, ha un carico di rottura di 30 kg. Questo è ben al di sotto di qualsiasi cosa con cui mi sosterrei mai. Le corde o le sete aeree devono essere in grado di reggere almeno 10 volte il tuo peso per essere usate in sicurezza.
Ci sono applicazioni della seta che sono state usate per sostenere le persone, ma la scarsità e gli accordi commerciali dopo la seconda guerra mondiale hanno cambiato la seta da un tessuto usato per fare questo tipo di equipaggiamento protettivo all’abbigliamento. Il modo in cui la seta viene preparata può cambiare drasticamente la sua forza, quindi le cose fatte di seta non possono essere più forti di quelle fatte di nylon anche se i singoli fili possono essere più forti.
The Bottom Line
Seta di ragno (MA e Flag) rispetto alle proprietà di diversi materiali. La seta di ragno è estremamente leggera e resistente, anche se non è forte come altri materiali. Image Credit: Romer & Scheibel, 2008
Il campo della biomimetica ha fatto passi da gigante nella riproduzione della seta di ragno negli ultimi anni, ma le grandi differenze biochimiche tra la spiderette e i sistemi di produzione in vitro hanno reso questo difficile. La reputazione della seta come bene di lusso, e l’economia associata, hanno favorito il nylon per l’uso in attrezzature di sicurezza rispetto alla seta, nonostante il fatto che la seta sia ipoteticamente migliore per molte misure.
La seta, sia da un ragno che da un insetto, è un materiale molto forte anche se questo è spesso confuso con la durezza. Il tipico filo di ragno che costruisce una ragnatela è in realtà forte quanto un tipico filo di nylon, anche se la sua tenacità è più del doppio. La preparazione commerciale può cambiare drasticamente questo per una serie di ragioni, e la stessa fibra su una scala diversa può avere proprietà diverse a causa di tutta una serie di fattori.
Il più grande passo avanti nella realizzazione della seta di ragno artificiale è avvenuto questa settimana. Un gruppo di scienziati ha identificato diverse sezioni di proteine di seta che avevano una migliore solubilità nelle condizioni che stavano usando per fare la seta, e le hanno fuse insieme. Il risultato è stato una seta di ragno producibile in massa che è la metà più dura e 1/4 più forte della seta che i ragni filano.
Così ci stiamo arrivando… ma abbiamo molta strada da fare.