Written by Joe Ballenger

Hej, jag är med i ett Lego League-lag med min skola och vi vill veta mer om spindlar för vårt forskningsprojekt. Några frågor som jag hoppas att du kan hjälpa oss med är: Vad gör ett spindelnät så starkt och klibbigt? Är det ännu starkare om det är större och kan hålla en människa?

Tack från hela laget!!

Spindelväv är en riktigt stark grej. En enda tråd av spindelsilke kan omedelbart fånga och stoppa en flygande insekt tiotusentals gånger dess vikt, utan att gå sönder. Forskare är intresserade av att utnyttja denna egenskap för vardagskläder, skottsäkra västar och andra skyddskläder. Det finns ett stort intresse för hur man kan göra detta ur kemisk synvinkel.

Det är alltså en riktigt bra fråga, och Lego League är verkligen intresserad av detta ur ett strukturkemiskt perspektiv. Men det finns också en kulturell komponent i just den här frågan som jag tycker är bra.

Jag umgås (ordvitsen är avsedd) ganska mycket med rep, och jag gick nyligen med i ett gym där man lär ut en typ av performancekonst som kallas aerial silk. Det är en typ av performancekonst där en dansare rör sig genom att hänga upp sig själv genom att svepa in sig i ett starkt tyg.

När jag började forska om det här ämnet frågade jag om det tyg som används i den här typen av performance. Jag blev chockad när jag upptäckte att det tyg som dessa människor använder var nylon och inte silke.

Så vad är silke, varför är det superstarkt och varför tillverkar vi inte klätterutrustning med det?

Det första vi bör påpeka är att spindelvävssilke inte är det starkaste material som människan känner till. Kolfiber kan hantera fyra gånger större belastning än spindelsilke, men det är inte så elastiskt. Så fort kolfiber sträcker sig, även en liten bit, knäcks det. Av den anledningen är det en bra ersättning för saker som normalt skulle vara gjorda av metall … men det är ingen bra ersättning för fibrer som används i kläder. Stål har samma sak… dess draghållfasthet är i nivå med spindelsilke, men det är mycket tyngre och inte alls lika flexibelt.

De egenskaper vi gillar hos spindelsilke är inte dess styrka utan dess seghet. Även om vi kanske förknippar styrka och seghet med saker som karaktärsdrag, är de mycket olika i materialforskarnas ögon. Medan styrka är hur mycket vikt du kan låta dingla i en kabel, är seghet hur hårt du kan träffa något utan att det går sönder.

Detta för oss till spindelsilke, som återigen är ett ganska komplicerat ämne eftersom. Det finns ungefär 7 olika typer av silke som spindlar kan spinna, även om många inte har denna arsenal till sitt förfogande. Dessa 7 typer används för en mängd olika ändamål, har helt olika egenskaper och olika kemiska sammansättningar.

Stickigt, stretchigt och starkt

Ett spindelnät består huvudsakligen av tre typer av silke: Flagelliformt, aggregerat och dragline. Dragline-silke är det hårdaste silket, och det är det som forskare försöker efterlikna när de försöker göra plagg av materialet.

Vad gör spindelsilke så klibbigt?

Flagelliformt silke är det som fångar bytet. Det kan sträcka sig och deformeras, sträcka sig nästan 30 gånger sin längd, utan att gå sönder. Dess syfte är att stoppa insektens hastighet, med den faktiska stoppkraften som tillhandahålls av draglinjesilken som den är kopplad till. Flagellisilken griper dock inte tag i insekten. Den uppgiften sköts av aggregatsilken.

Aggregatsilke liknar silke till sin sammansättning, förutom att det har sockerarter som sitter fast på ytan. Dessa sockerarter är täckta av OH-grupper, som dras till grupper av atomer som har många elektroner. Dessa individuella attraktioner är svaga, men när det finns många av dem blir de mycket starka.

Detta trick är ett trick som upprepas i hela djurriket. Fiskägg använder till exempel glykoproteiner för att hålla fast vid saker. Urea, som utsöndras i urinen, är också effektiv när det gäller vätebindning. Det används inte bara som lim för att hålla ihop plywood, utan även larver av glödflugor använder det för att göra sitt silke klibbigt.

Styrkan hos ett spindelnät som helhet beror på dess förmåga att hålla fast vid bytesföremål, samt dess förmåga att bromsa dem utan att gå sönder.

Varför är silke så starkt?

Släpande silke är det lättaste att skörda från spindlar, och det är också det hårdaste. Eftersom det är så lätt att skörda är det det silke vi vet mest om.

Silke är en gigantisk prion, en typ av proteinkristall. Inne i spineretten består den av bitar av silke som är suspenderade i ett flytande medium. När det extruderas kopplas molekylerna samman och skapar en gigantisk tråd som kommer ut ur spindelns rumpa.

Hur de kopplas samman är en fråga som debatteras, och jag tänker inte gå in på det här. Tack vare röntgenkristallografi vet vi dock hur molekylerna ser ut och det blir mycket enklare att börja vid molekylen och arbeta sig uppåt.

Från molekyler till spindelnät

Då frågan kom från ett lag som leker med lego i tävlingssyfte, låt oss ta en titt på hur molekylerna länkas samman. De viktiga strukturerna i molekylen är styva delar av proteinet som kallas betablad, som förstärker sig själva genom vätebindningar:

Här är ett röntgenkristallografiskt ”fotografi” av en enskild silkesmolekyl:

Dessa gula segment är betablad, och de håller ihop proteinet. Grejerna i slutet består mestadels av en annan typ av struktur, så kallade alfa-helices. Beta-sheets håller ihop molekylen, medan alfa-helices tillåter molekylen att sträcka sig lite. Spindelsilke är ett gäng av dessa molekyler som sitter ihop, och sättet de sitter ihop på förstärker varandra genom att maximera dessa vätebindningar.

Här är hur dessa molekyler sitter ihop:

Inom strukturen hos spindelsilke kopplar dessa enskilda molekyler ihop sig till varandra för att bilda kristaller inom tråden. Dessa kristaller hålls löst samman av mer flexibla trådar. Vätgasbindningen inom betabladen skapar en stark struktur som förstärks på flera nivåer. De flexibla proteinstrukturerna gör att spindelsilket är flexibelt och stretchigt.

Denna lösa samling av kristaller och proteinstrukturer bildar ett rep … och spindeln spinner flera rep. Dessa rep hålls samman med ett par proteinlager, och detta ger ytterligare ett lager av förstärkning:

Om vi skalar upp, skulle vi då kunna använda silke för att hålla fast människor?

Den här frågan är svår att besvara, eftersom vi faktiskt inte kan göra stora rep av spindelsilke ännu. För att kunna spinnas med optimal styrka måste de kemiska förhållandena i allt silke som produceras utanför djurets kropp vara perfekta. Vi är inte riktigt vid storskalig produktion ännu, även om vi kanske närmar oss.

Oavsett detta hjälper det att ha en jämförelse av något slag. Klätterrep tillverkas av stretchig nylon, och ett stråk det starkaste spindelsilke som finns registrerat är 18 gånger starkare i proportion. Silkesmaskens silke, som produceras i stora mängder, är ungefär 6 gånger starkare i proportion. Vi har massproducerat larvsilke i tusentals år, så detta är en ganska bra modell.

Det bör nämnas att ovanstående information jämför individuellt spunna trådar med ett kommersiellt framställt klätterrep. Beredningsmetoder, fuktighet, hur tyget vävs och till och med saker som färgämnen kan påverka styrkan hos kommersiellt framställda produkter. Medan en enskild tråd av silke, antingen spindel eller larv, är ungefär lika stark som en enskild tråd av nylon som används i klätterrep… Jag är inte särskilt nöjd med denna jämförelse.

Jag känner att det enda sättet att besvara den här frågan på ett korrekt sätt är genom att titta på kommersiellt framställda produkter som är utformade för att hålla människor. Det är här som aerial silk kommer in igen.

Detta är en dans som utförs på nylontyg, vilket innebär att jag kan jämföra brotthållfastheten hos detta tyg med kommersiellt framställt silkestyg. Aerial silkestyg (återigen tillverkat av nylon) kan hålla lite mer än 1100 kg. Surah, å andra sidan, har en brottstyrka på 30 kg. Detta är långt under något som jag någonsin skulle stödja mig själv med. Linor eller luftsilke måste kunna hålla minst tio gånger din vikt för att kunna användas på ett säkert sätt.

Det finns tillämpningar av silke som har använts för att hålla fast människor, men brist och handelsavtal efter andra världskriget förändrade silke från att vara ett tyg som användes för att tillverka denna typ av skyddsutrustning till kläder. Det sätt på vilket silke förbereds kan drastiskt ändra dess styrka, så saker gjorda av silke kanske inte är starkare än saker gjorda av nylon även om de enskilda trådarna kan vara starkare.

The Bottom Line

Fältet för biomimetik har gjort några riktigt stora framsteg när det gäller att reproducera spindelsilke under de senaste åren, men de stora skillnaderna i biokemi mellan spindelns spindelette och in-vitro produktionssystem har gjort detta svårt. Silkes rykte som en lyxvara, och den därmed sammanhängande ekonomin, har gynnat nylon för användning i säkerhetsutrustning framför silke, trots att silke hypotetiskt sett är bättre enligt många mätningar.

Silke, oavsett om det kommer från en spindel eller en insekt, är ett mycket starkt material, även om detta ofta blandas ihop med seghet. Din typiska nätbyggande spindeldragare är faktiskt ungefär lika stark som en typisk nylontråd, även om dess seghet är mer än dubbelt så hög. Kommersiell beredning kan förändra detta drastiskt av flera skäl, och samma fiber i en annan skala kan ha olika egenskaper på grund av en mängd faktorer.

Det största steget i tillverkningen av konstgjord spindelvävssilke skedde i veckan. En grupp forskare identifierade olika delar av silkesproteiner som hade bättre löslighet under de förhållanden som de använde för att göra silket, och smälte samman dem. Resultatet blev ett massproducerbart spindelsilke som är hälften så segt och en fjärdedel så starkt som det silke som spindlar spinner.

Så vi är på väg dit… men vi har en lång väg att gå.

Works Cited