Written by Joe Ballenger
Hola, estoy en un equipo de Lego League con mi escuela y estamos queriendo saber más sobre las arañas para nuestro proyecto de investigación. Algunas preguntas con las que espero que nos puedas ayudar son, ¿qué hace que una tela de araña sea tan fuerte y pegajosa? ¿Es aún más fuerte si fuera más grande para sostener a una persona?
¡Gracias de parte de todo mi equipo!
La seda de araña es algo realmente fuerte. Una sola hebra de seda de araña puede atrapar y detener instantáneamente un insecto volador de decenas de miles de veces su peso, sin romperse. Los científicos están interesados en aprovechar esta propiedad para la ropa de diario, los chalecos antibalas y otras prendas de protección. Hay mucho interés en cómo hacer esto, desde un punto de vista químico.
Así que es una cuestión realmente interesante, y la Lego League está ciertamente interesada en esto desde una perspectiva de química estructural. Sin embargo, también hay un componente cultural en esta cuestión en particular que creo que es interesante.
Paso bastante tiempo en las cuerdas, y recientemente me uní a un gimnasio que enseña un tipo de arte de actuación llamado seda aérea. Es un tipo de arte escénico en el que un bailarín se mueve suspendido envolviéndose en una tela fuerte.
Cuando empecé a investigar sobre este tema, pregunté sobre la tela que se utiliza en este tipo de actuación. Me sorprendió descubrir que el tejido que utilizaba esta gente era nylon, y no seda.
Entonces, ¿qué es la seda, por qué es súper fuerte, y por qué no hacemos equipos de escalada con ella?
Lo primero que debemos señalar es que la seda de araña no es el material más fuerte conocido por el hombre. La fibra de carbono puede soportar cuatro veces la carga de la seda de araña, pero no es tan elástica. Tan pronto como la fibra de carbono se estira, incluso una pequeña cantidad, se rompe. Por esa razón, es un buen sustituto de cosas que normalmente se harían de metal… pero no es un gran sustituto de las fibras utilizadas en la ropa. Al acero le ocurre lo mismo… su resistencia a la tracción está a la par de la seda de araña, pero es mucho más pesada y no es tan flexible.
Una araña comiendo una tela nos muestra cuántos tipos diferentes de seda producen las arañas. Una sola telaraña consiste en una seda resistente (seda de arrastre), conectada a una seda elástica (seda flageliforme), que está recubierta de una sustancia pegajosa (seda agregada). La seda de arrastre y la flageliforme están pegadas con cemento de fijación (seda piriforme), que es un cuarto tipo de seda fabricada con las glándulas de seda. Cuando la araña captura a su presa, frena su movimiento con seda aciniforme. No se muestra la seda que recubre los huevos (seda cilíndrica), ni la seda de refuerzo (seda ampular menor). Crédito de la imagen: Jeroen Mul, vía Flikr. Información sobre la licencia: CC BY-NC-SA 2.0. Imagen modificada a partir de la original.
Las propiedades que nos gustan de la seda de araña no son su resistencia sino su dureza. Aunque podemos asociar fuerza y dureza en cosas como rasgos de carácter, son muy diferentes a los ojos de los científicos de materiales. Mientras que la fuerza es la cantidad de peso que se puede colgar en un cable, la dureza es la fuerza con la que se puede golpear algo sin romperlo.
Esto nos lleva a la seda de araña, que de nuevo, es una especie de tema complicado porque. Hay unos 7 tipos diferentes de seda que las arañas pueden tejer, aunque muchas no tienen este arsenal a su disposición. Estos 7 tipos se utilizan para una variedad de propósitos, tienen propiedades completamente diferentes, y diferentes composiciones químicas.
Pegajoso, elástico y fuerte
Una tela de araña se compone principalmente de tres tipos de seda: Flageliforme, agregada y de arrastre. La seda de arrastre es la más resistente, y es la que los científicos tratan de emular cuando intentan fabricar prendas con ella.
¿Qué hace que la seda de araña sea tan pegajosa?
La seda flageliforme es la que captura a la presa. Es capaz de estirarse y deformarse, estirándose casi 30 veces su longitud, sin romperse. Su propósito es detener la velocidad del insecto, con el poder de detención real proporcionado por la seda de arrastre a la que está conectada. Sin embargo, la seda flageliforme no se agarra al insecto. Ese trabajo lo hace la seda agregada.
Demostración del enlace de hidrógeno usando moléculas de agua. Los enlaces de hidrógeno individuales son débiles, pero se vuelven fuertes cuando hay muchos en un área pequeña.
La seda agregada es similar a la seda en su composición, excepto que tiene azúcares pegados a la superficie. Estos azúcares están cubiertos de grupos OH, que son atraídos por grupos de átomos que tienen muchos electrones. Estas atracciones individuales son débiles, pero cuando hay muchas, se vuelven muy fuertes.
Este truco se repite en todo el reino animal. Los huevos de los peces, por ejemplo, utilizan glicoproteínas para adherirse a las cosas. La urea, segregada en la orina, también es eficiente en la unión de hidrógeno. No sólo se utiliza como pegamento para unir la madera contrachapada, sino que las larvas de la mosca de las luciérnagas la utilizan para hacer que su seda sea pegajosa.
La fuerza de una tela de araña en su conjunto se debe a su capacidad para adherirse a los elementos de la presa, así como a su capacidad para frenarlos sin que se rompan.
¿Por qué es tan fuerte la seda?
La seda de arrastre es la más fácil de cosechar de las arañas, y también es la más resistente. Como es tan fácil de cosechar, es la seda que más conocemos.
La seda es un prión gigante, un tipo de cristal de proteína. Dentro de la espineta, se compone de trozos de seda que están suspendidos en un medio líquido. Al ser extruida, las moléculas se enlazan y crean un hilo gigante que sale del trasero de la araña.
Cómo se enlazan es una cuestión de debate, y no voy a entrar en ello aquí. Sin embargo, gracias a la cristalografía de rayos X, sabemos cómo son las moléculas y será mucho más sencillo empezar por la molécula e ir subiendo.
De las moléculas a las telas de araña
Ya que esta pregunta proviene de un equipo que juega con legos de forma competitiva, vamos a ver cómo se unen estas moléculas. Las estructuras importantes de la molécula son las partes rígidas de la proteína llamadas hojas beta, que se refuerzan mediante enlaces de hidrógeno:
Cómo funcionan las hojas beta. La figura de la izquierda es la que nos interesa. Las líneas punteadas son enlaces de hidrógeno entre segmentos de la proteína. Crédito de la imagen: Dcrjsr, vía Wikipedia commons. Crédito de la imagen: CC-by-3.0
Aquí hay una «fotografía» de cristalografía de rayos X de una molécula de seda individual:
Seda de araña bajo tensión sin carga (inicial), con carga (extensión) y con rotura (fallo). Crédito de la imagen: Brahtzel & Buhler 2011
Esos segmentos amarillos son láminas beta, y mantienen la proteína unida. Lo que hay al final está formado en su mayor parte por otro tipo de estructuras, llamadas hélices alfa. Las hojas beta mantienen la molécula unida, mientras que las hélices alfa permiten que la molécula se estire un poco. La seda de araña es un montón de estas moléculas pegadas entre sí, y la forma en que están pegadas se refuerza mutuamente maximizando esos enlaces de hidrógeno.
Así es como esas moléculas están pegadas entre sí:
Crédito de la imagen: Blackledge, 2012
Dentro de la estructura de la seda de araña, esas moléculas individuales se enlazan entre sí para formar cristales dentro del hilo. Esos cristales se mantienen sueltos por medio de hilos más flexibles. El enlace de hidrógeno dentro de las hojas beta crea una estructura fuerte, que se refuerza en múltiples niveles. Las estructuras proteicas flexibles permiten que la seda de araña sea flexible y elástica.
Esta colección suelta de cristales y estructuras proteicas forma una cuerda… y la araña teje múltiples cuerdas. Estas cuerdas se mantienen unidas con un par de capas de proteínas, y esto proporciona otra capa de refuerzo:
Crédito de la imagen: Blackledge 2012
Si se aumenta la escala, ¿podríamos utilizar la seda para sostener a las personas?
Esta pregunta es difícil de responder, porque en realidad todavía no podemos hacer grandes cuerdas de seda de araña. Para que se hilen con la fuerza óptima, las condiciones químicas de cualquier seda producida fuera del cuerpo del animal tienen que ser perfectas. Todavía no hemos llegado a la producción a gran escala, aunque puede que nos estemos acercando.
Independientemente, ayuda tener una comparación de algún tipo. Las cuerdas de escalar están hechas de nylon elástico, y una hebra de la seda de araña más fuerte registrada es 18 veces más fuerte en proporción. La seda del gusano de seda, que se produce en masa, es unas 6 veces más fuerte en proporción. Hemos estado produciendo seda de oruga en masa durante miles de años, así que este es un modelo bastante bueno.
Hay que mencionar que la información anterior está comparando hilos hilados individualmente con una cuerda de escalada preparada comercialmente. Los métodos de preparación, la humedad, la forma en que se teje la tela e incluso cosas como los tintes pueden afectar a la resistencia de los productos preparados comercialmente. Mientras que una hebra individual de seda, ya sea de araña o de oruga, es casi tan fuerte como una hebra individual de nylon utilizada en la cuerda de escalada… No estoy particularmente feliz con esta comparación.
Siento que la única manera de responder adecuadamente a esta pregunta es mirando a los productos preparados comercialmente diseñados para sostener a la gente. Aquí es donde vuelve a entrar la seda aérea.
Esta es una danza realizada en tela de nylon, lo que significa que puedo comparar la resistencia a la rotura de esta tela con la tela de seda preparada comercialmente. La tela de seda aérea (de nuevo, hecha de nylon) puede aguantar algo más de 1100 kg. Por otro lado, el Surah tiene una resistencia a la rotura de 30 kg. Esto está muy por debajo de lo que yo soportaría. Las cuerdas o sedas aéreas tienen que ser capaces de aguantar al menos 10 veces tu peso para poder ser utilizadas con seguridad.
Hay aplicaciones de la seda que se han utilizado para sujetar a las personas, pero la escasez y los acuerdos comerciales después de la Segunda Guerra Mundial hicieron que la seda pasara de ser un tejido utilizado para hacer este tipo de equipos de protección a la ropa. La forma en que se prepara la seda puede cambiar drásticamente su resistencia, por lo que las cosas hechas de seda pueden no ser más fuertes que las hechas de nylon, aunque los hilos individuales puedan ser más fuertes.
El resultado final
La seda de araña (MA y Flag) comparada con las propiedades de diferentes materiales. La seda de araña es extremadamente ligera y resistente, aunque no es tan fuerte como otros materiales. Crédito de la imagen: Romer & Scheibel, 2008
El campo de la biomimética ha hecho grandes avances en la reproducción de la seda de araña en los últimos años, pero las grandes diferencias en la bioquímica entre la araña de la línea y los sistemas de producción in vitro lo han hecho difícil. La reputación de la seda como bien de lujo, y la economía asociada, han favorecido el uso del nylon en los equipos de seguridad en lugar de la seda, a pesar de que la seda es hipotéticamente mejor según muchas mediciones.
La seda, ya sea de una araña o de un insecto, es un material muy fuerte, aunque esto se confunde a menudo con la dureza. La típica tela de araña es en realidad tan fuerte como un típico hilo de nylon, aunque su dureza es más del doble. La preparación comercial puede cambiar drásticamente esto por una serie de razones, y la misma fibra a una escala diferente puede tener diferentes propiedades debido a toda una serie de factores.
El mayor avance en la fabricación de seda de araña artificial ocurrió esta semana. Un grupo de científicos identificó diferentes secciones de las proteínas de la seda que tenían una mejor solubilidad en las condiciones que estaban utilizando para fabricar la seda, y las fusionaron. El resultado fue una seda de araña producida en masa que es la mitad de dura y 1/4 de fuerte que la seda que tejen las arañas.
Así que lo estamos consiguiendo… pero nos queda mucho camino por recorrer.