Written by Joe Ballenger

Hi, jestem w drużynie Lego League z mojej szkoły i chcemy dowiedzieć się więcej o pająkach dla naszego projektu badawczego. Mam nadzieję, że pomożesz nam z kilkoma pytaniami: co sprawia, że pajęcza sieć jest tak mocna i lepka? Czy jest ona jeszcze mocniejsza, jeśli byłaby większa, aby utrzymać osobę?

Dziękuję od całej mojej drużyny!!!

Jedwab pająka jest naprawdę mocną rzeczą. Pojedyncza nitka jedwabiu pajęczego może natychmiast złapać i zatrzymać latającego owada o wadze dziesiątki tysięcy razy większej niż jego waga, bez rozerwania. Naukowcy są zainteresowani wykorzystaniem tej właściwości w odzieży codziennej, kamizelkach kuloodpornych i innych ubraniach ochronnych. Istnieje duże zainteresowanie, jak to zrobić, z chemicznego punktu widzenia.

Więc jest to naprawdę zgrabne pytanie, a Liga Lego jest z pewnością zainteresowana tym z perspektywy chemii strukturalnej. Jednakże, istnieje również kulturowy komponent do tego konkretnego pytania, który uważam za schludny.

Wieszam się (kalambur zamierzony) na linach całkiem sporo, i ostatnio dołączyłem do siłowni, która uczy rodzaju sztuki performance zwanej aerial silk. Jest to rodzaj sztuki performance, gdzie tancerz porusza się zawieszając się poprzez owijanie się w mocną tkaninę.

Gdy zacząłem robić badania na ten temat, zapytałem o tkaninę używaną w tego rodzaju występach. Byłem zszokowany, gdy odkryłem, że tkanina, której używają ci ludzie to nylon, a nie jedwab.

Więc czym jest jedwab, dlaczego jest super mocny i dlaczego nie robimy z niego sprzętu wspinaczkowego?

Pierwszą rzeczą, na którą powinniśmy zwrócić uwagę jest to, że jedwab pajęczy nie jest najmocniejszym materiałem znanym człowiekowi. Włókno węglowe może wytrzymać czterokrotnie większe obciążenie niż jedwab pajęczy, ale nie jest tak elastyczne. Jak tylko włókno węglowe się rozciągnie, nawet w niewielkim stopniu, pęka. Z tego powodu jest to dobry zamiennik dla rzeczy, które normalnie byłyby wykonane z metalu… ale nie jest to najlepszy zamiennik dla włókien używanych w odzieży. Stal ma to samo… jej wytrzymałość na rozciąganie jest na równi z jedwabiem pajęczym, ale jest o wiele cięższa i nie tak elastyczna.

Właściwością, którą lubimy w pajęczym jedwabiu, nie jest jego siła, lecz wytrzymałość. Chociaż możemy kojarzyć siłę i wytrzymałość z takimi cechami charakteru, w oczach materiałoznawców są one zupełnie inne. Podczas gdy siła jest tym, ile ciężaru można zawiesić na kablu, wytrzymałość jest tym, jak mocno można uderzyć w coś bez łamania tego.

To prowadzi nas do pajęczego jedwabiu, który znowu jest rodzajem skomplikowanego tematu, ponieważ. Istnieje około 7 różnych rodzajów jedwabiu pająki mogą spin, choć wielu nie mają tego arsenału do ich dyspozycji. Te 7 typów jest używanych do różnych celów, mają zupełnie inne właściwości i różne składy chemiczne.

Kleisty, rozciągliwy i mocny

Pajęcza sieć składa się głównie z trzech typów jedwabiu: Flagelliform, aggregate i dragline. Jedwab drapany jest najtwardszy i jest tym, co naukowcy starają się naśladować, gdy próbują zrobić z niego ubrania.

Co sprawia, że jedwab pająka jest tak lepki?

Jedwab flagelloidalny jest tym, co przechwytuje zdobycz. Jest on w stanie rozciągać się i deformować, rozciągając się prawie 30 razy na długość, nie pękając. Jego celem jest zatrzymanie prędkości owada, z rzeczywistą mocą zatrzymywania dostarczaną przez jedwab drapacza, z którym jest połączony. Jedwab flagellowy nie chwyta jednak owada. To zadanie jest wykonywane przez jedwab zbiorczy.

Jedwab agregatowy jest podobny do jedwabiu w składzie, z wyjątkiem tego, że ma cukry przyklejone do powierzchni. Cukry te są pokryte grupami OH, które są przyciągane do grup atomów, które mają dużo elektronów. Te indywidualne atrakcje są słabe, ale kiedy jest ich dużo, stają się bardzo silne.

Ta sztuczka jest jedną, która powtarza się w całym królestwie zwierząt. Rybie jaja, na przykład, używają glikoprotein, aby przykleić się do rzeczy. Mocznik, wydzielany w moczu, jest również skuteczny w wiązaniu wodorowym. Nie tylko jest używany jako klej do sklejania sklejki, ale również larwy muchy jarzeniowej używają go, aby ich jedwab był lepki.

Siła pajęczyny jako całości wynika z jej zdolności do przylegania do ofiar, jak również z jej zdolności do spowalniania ich bez łamania.

Dlaczego jedwab jest tak mocny?

Jedwab wrzecionowaty jest najłatwiejszy do zebrania od pająków, jest też najtwardszy. Ponieważ jest tak łatwy do zebrania, to właśnie o nim wiemy najwięcej.

Jedwab jest gigantycznym prionem, rodzajem kryształu białkowego. Wewnątrz spinerette, składa się on z kawałków jedwabiu, które są zawieszone w płynnym medium. Gdy jest wyciskany, cząsteczki łączą się ze sobą i tworzą gigantyczną nić, która wychodzi z pośladków pająka.

To, jak się łączą, jest kwestią dyskusyjną i nie zamierzam się w to tutaj zagłębiać. Jednak dzięki krystalografii rentgenowskiej wiemy, jak wyglądają molekuły i będzie o wiele prościej zacząć od molekuły i pracować w górę.

Od molekuł do pajęczyn

Ponieważ to pytanie pochodzi od zespołu, który zawodowo bawi się klockami lego, przyjrzyjmy się, jak te molekuły są ze sobą połączone. Ważnymi strukturami w cząsteczce są sztywne części białka zwane beta-szetami, które wzmacniają się poprzez wiązania wodorowe:

Oto „zdjęcie” pojedynczej cząsteczki jedwabiu wykonane metodą krystalografii rentgenowskiej:

Te żółte segmenty to beta-szety, które utrzymują białko razem. To, co znajduje się na końcu, składa się głównie z innego rodzaju struktur, zwanych alfa-helikami. Beta-szety utrzymują cząsteczkę razem, podczas gdy alfa-heliksy pozwalają jej się nieco rozciągnąć. Pajęczy jedwab to masa tych cząsteczek sklejonych razem, a sposób, w jaki są sklejone, wzmacnia się wzajemnie poprzez maksymalizację tych wiązań wodorowych.

Oto jak te cząsteczki są sklejone razem:

W strukturze pajęczego jedwabiu te pojedyncze cząsteczki łączą się ze sobą, tworząc kryształy wewnątrz nici. Kryształy te są luźno trzymane razem przez bardziej elastyczne sznurki. Wiązanie wodorowe w beta-szetach tworzy silną strukturę, która jest wzmocniona na wielu poziomach. Elastyczne struktury białkowe pozwalają pajęczemu jedwabiowi być elastycznym i rozciągliwym.

Ta luźna kolekcja kryształów i struktur białkowych tworzy linę…a pająk przędzie wiele lin. Te liny są utrzymywane razem z kilkoma warstwami białek, co zapewnia kolejną warstwę wzmocnienia:

Gdyby przeskalować, czy moglibyśmy użyć jedwabiu do trzymania ludzi?

Na to pytanie trudno odpowiedzieć, ponieważ nie możemy jeszcze zrobić dużych lin z jedwabiu pająka. Aby jedwab mógł być przędzony z optymalną siłą, warunki chemiczne każdego jedwabiu produkowanego poza ciałem zwierzęcia muszą być idealne. Nie jesteśmy jeszcze na etapie produkcji na dużą skalę, choć możemy być coraz bliżej.

Niezależnie od tego, warto mieć jakieś porównanie. Liny wspinaczkowe są wykonane z rozciągliwego nylonu, a pasmo najmocniejszego jedwabiu pajęczego jest 18 razy mocniejsze w proporcji. Jedwabnik, który jest produkowany w masowych ilościach, jest około 6 razy mocniejszy w proporcji. Masowo produkujemy jedwab gąsienicowy od tysięcy lat, więc jest to całkiem dobry model.

Należy wspomnieć, że powyższe informacje to porównanie indywidualnie przędzonych nici z komercyjnie przygotowaną liną wspinaczkową. Metody przygotowania, wilgotność, sposób w jaki tkanina jest tkana, a nawet takie rzeczy jak barwniki mogą mieć wpływ na wytrzymałość komercyjnie przygotowanych produktów. Podczas gdy pojedyncza nitka jedwabiu, czy to pająka czy gąsienicy, jest mniej więcej tak mocna jak pojedyncza nitka nylonu używanego w linach wspinaczkowych…nie jestem szczególnie zadowolony z tego porównania.

Czuję, że jedynym sposobem na właściwą odpowiedź na to pytanie jest przyjrzenie się komercyjnie przygotowanym produktom przeznaczonym do trzymania ludzi. To jest miejsce, gdzie powietrzny jedwab powraca.

To jest taniec wykonywany na tkaninie nylonowej, co oznacza, że mogę porównać wytrzymałość na zerwanie tej tkaniny z komercyjnie przygotowaną tkaniną jedwabną. Tkanina jedwabna Aerial (ponownie, wykonana z nylonu) może utrzymać nieco ponad 1100 kg. Surah, z drugiej strony, ma wytrzymałość na zerwanie 30 kg. Jest to dużo mniej niż cokolwiek, czym mógłbym się kiedykolwiek podeprzeć. Liny lub jedwabie lotnicze muszą być w stanie utrzymać co najmniej 10-krotność twojej wagi, aby mogły być bezpiecznie używane.

Istnieją zastosowania jedwabiu, które były używane do podtrzymywania ludzi, ale niedobory i umowy handlowe po II wojnie światowej zmieniły jedwab z tkaniny używanej do produkcji tego rodzaju sprzętu ochronnego na odzież. Sposób przygotowania jedwabiu może drastycznie zmienić jego wytrzymałość, więc rzeczy wykonane z jedwabiu mogą nie być mocniejsze od rzeczy wykonanych z nylonu, nawet jeśli poszczególne nici mogą być mocniejsze.

Dolna linia

Dziedzina biomimetyki poczyniła naprawdę duże postępy w odtwarzaniu jedwabiu pajęczego w ciągu ostatnich kilku lat, ale ogromne różnice w biochemii między pajęczyną a systemami produkcji in-vitro utrudniają to zadanie. Reputacja jedwabiu jako dobra luksusowego, i związana z tym ekonomia, faworyzowały nylon do użycia w sprzęcie bezpieczeństwa ponad jedwab, pomimo faktu, że jedwab jest hipotetycznie lepszy w wielu pomiarach.

Jedwab, czy to z pająka czy owada, jest bardzo mocnym materiałem, chociaż jest to często mylone z wytrzymałością. Twoja typowa sieć-budująca pająk dragline jest faktycznie około tak silna jak typowa nylonowa nić, chociaż jej wytrzymałość jest ponad dwukrotnie wyższa. Komercyjne przygotowanie może drastycznie zmienić to z wielu powodów, a to samo włókno w innej skali może mieć inne właściwości z powodu całego szeregu czynników.

Największy krok w tworzeniu sztucznego jedwabiu pajęczego nastąpił w tym tygodniu. Grupa naukowców zidentyfikowała różne części białek jedwabiu, które miały lepszą rozpuszczalność w warunkach, których używali do produkcji jedwabiu, i połączyła je razem. Rezultatem był produkowany na skalę masową jedwab pajęczy, który jest o połowę bardziej wytrzymały i w 1/4 tak mocny jak jedwab, którym przędą pająki.

Więc docieramy do celu…ale przed nami jeszcze długa droga.

Works Cited