Pânzele de păianjen rareori fac o primă impresie bună. Chiar dacă nu ești una dintre insectele pe care sunt concepute să le captureze, o acoperire bruscă de mătase pe față poate fi enervantă și, posibil, alarmantă dacă nu știi unde a ajuns păianjenul.
Pentru cei dintre noi suficient de mari pentru a scăpa, totuși, mătasea de păianjen merită o a doua privire. Nu numai că creatorii săi sunt mult mai puțin periculoși pentru oameni decât se crede în general — și adesea mai de ajutor decât dăunători — dar mătasea lor este o minune a naturii vast subestimată. Și deși acest supermaterial ar merita admirat chiar dacă ne-ar fi inutil, se întâmplă să dețină și un potențial uriaș pentru umanitate.
Există multe motive să placă (sau cel puțin să tolerezi) vecinii noștri arahnide, dar dacă nu poți face pace cu păianjenii înșiși, măcar ia în considerare să faci o excepție pentru mătasea lor. Pe lângă capturarea țânțarilor și a altor insecte supărătoare, mătasea de păianjen abundă în capabilități incredibile, multe dintre ele oamenii ar dori să le imite. Și după secole de încercări de a valorifica magia mătăsii de păianjen, oamenii de știință dezvăluie în sfârșit unele dintre cele mai promițătoare secrete ale acesteia.
Iată o privire mai atentă la ceea ce face mătasea de păianjen atât de spectaculoasă, atât ca o minune a biologiei, cât și ca o comoară a biomimicriei:
1. Mătasea de păianjen este mai rezistentă decât oțelul, raportat la greutate.
Mătasea de păianjen este mai ușoară decât bumbacul și de până la 1.000 de ori mai subțire decât un fir de păr uman, totuși este și incredibil de rezistentă pentru un material atât de fin. Această rezistență uriașă este vitală pentru păianjeni, care au nevoie ca mătasea lor să reziste unei serii de forțe distructive, de la zbătutul frenetic al insectelor prinse la rafale puternice de vânt și ploaie.
Totuși, pentru animale de dimensiunea noastră, este greu să înțelegem rezistența proporțională a mătăsii de păianjen dacă nu o încadratăm în termeni familiari. Compararea ei cu oțelul ar putea suna absurd, de exemplu, dar pe bază de greutate, mătasea de păianjen este mai rezistentă. Poate că îi lipsește rigiditatea oțelului, dar are o rezistență la tracțiune similară și un raport rezistență-densitate mai mare.
„Cantitativ, mătasea de păianjen este de cinci ori mai rezistentă decât oțelul de același diametru”, explică o fișă informativă de la Școala de Chimie a Universității din Bristol. De asemenea, se fac comparații cu Kevlarul, care are o clasă de rezistență mai mare, dar o tenacitate la fractură mai mică decât anumite mătăsuri de păianjen, potrivit Societății Americane de Chimie (ACS). Mătasea de păianjen este și foarte elastică, în unele cazuri întinzându-se de patru ori lungimea sa originală fără a se rupe, și își păstrează rezistența sub minus 40 de grade Celsius.
S-a sugerat chiar — dar nu s-a testat, evident — că un fir de mătase de păianjen de grosimea unui creion ar putea opri un Boeing 747 în zbor. Într-o demonstrație mai naturală, totuși, păianjenul de scoarță al lui Darwin din Madagascar își poate întinde firul principal de rezistență până la 25 de metri (82 de picioare) peste râuri mari, formând cele mai mari pânze de păianjen cunoscute din lume.
2. Mătasea de păianjen este surprinzător de diversă.
Spre deosebire de insectele producătoare de mătase, care tind să producă doar un singur tip de mătase, păianjenii produc multe varietăți, fiecare specializată pentru propriul set de scopuri. Nimeni nu este sigur câte tipuri există, așa cum a declarat recent pentru Associated Press biologul și expertul în mătase de păianjen Cheryl Hayashi, dar cercetătorii au identificat mai multe categorii de bază de mătase de păianjen, fiecare produsă de o glandă serigenă diferită. Un păianjen individual poate produce de obicei cel puțin trei sau patru tipuri de mătase, iar unii țesători de pânze orbiculare pot produce șapte.
Iată șapte tipuri cunoscute de glande serigene și pentru ce este folosită fiecare mătase:
- Acinoformă: Produce mătase pentru înfășurare, pentru împachetarea și imobilizarea prăzii.
- Agregată: Produce picături de „clei” pentru partea exterioară a mătăsii lipicioase.
- Ampulară (majoră): Produce fire de siguranță nelipicioase, cel mai rezistent tip de mătase de păianjen. Mătasea din firul principal de rezistență este folosită în mai multe scopuri, inclusiv pentru razele nelipicioase ale unei pânze și pentru liniile de suport pe care păianjenii le folosesc ca un ascensor.
- Ampulară (minoră): Mătasea de la glanda ampulară minoră nu este la fel de rezistentă ca firele de siguranță de la glanda majoră, dar este la fel de dură datorită elasticității sale mai mari. Este folosită în multe moduri, de la construirea pânzei la înfășurarea prăzii.
- Cilindriformă: Produce mătasea mai rigidă pentru sacii protectivi de ouă.
- Flageliformă: Produce fibrele centrale elastice ale liniilor de capturare ale unei pânze. Aceste fibre sunt acoperite cu clei de la glanda agregată, iar elasticitatea lor permite timp cleiului să acționeze înainte ca prada să poată sări din pânză.
- Piriformă: Produce fire de atașare, care formează discurile de prindere ce ancorează un fir de mătase pe o suprafață sau pe un alt fir.
Hayashi a colectat glande serigene de la zeci de specii de păianjeni, dar ea și alți oameni de știință abia au zgâriat suprafața, îi spune ea agenției AP, menționând că există peste 48.000 de specii de păianjeni cunoscute științei în întreaga lume.
3. Păianjenii folosesc mătasea pentru zmeie, praștii, submarine și multe altele.
Mătasea oferă păianjenilor o gamă largă de opțiuni de adăpost, de la pânze spiralate iconice la tuburi, pâlnii, uși capcană și chiar submarine. Acestea din urmă sunt construite în mare parte de specii semi-acvatice precum păianjenul Bob Marley care trăiește pe plajă, care își construiește camere de aer pentru a supraviețui mareelor înalte, dar există o specie cunoscută — păianjenul clopot subacvatic — care își petrece aproape întreaga viață sub apă. Părăsește camera de aer doar pentru a prinde prada sau a reînnoi provizia de aer, dar nici măcar asta nu se întâmplă foarte des, deoarece bula de mătase poate trage oxigen dizolvat din apa din jur.
Mătasea poate fi utilă și pentru transport. Mulți păianjeni își confecționează vele din mătase, care le permit să călătorească pe distanțe lungi purtați de vânt, fenomen cunoscut sub numele de „balonare”. Aceasta este o modalitate comună pentru puii de păianjen de a se dispersa de la locul nașterii, dar unele specii folosesc călătoria aeriană și ca adulți. Chiar și fără vânt, păianjenii ar putea reuși să zboare valorificând câmpul electric al Pământului. Și pentru călătorii mai scurte, unii țesători de pânze orbiculare folosesc mătasea pentru a se arunca spre pradă ca dintr-o praștie, bazându-se pe reculul elastic al mătăsii pentru a accelera ca o rachetă.
Și într-una dintre cele mai ciudate utilizări ale mătăsii de păianjen, o specie din pădurea tropicală Amazoniană construiește mici turnuri de mătase înconjurate de un gard mic. Puține se știu despre constructorii acestora, care sunt porecliți păianjeni Silkhenge, deoarece structurile seamănă vag cu Stonehenge. Cercetătorii au aflat cel puțin pentru ce este folosit Silkhenge: se pare că este un loc de joacă protector pentru puii păianjenului.
4. Mătasea trece de la lichid la solid pe măsură ce părăsește corpul păianjenului.
Glandele serigene conțin un fluid cunoscut sub numele de „dope de filare”, cu proteine numite spidroine aranjate într-o soluție cristalină lichidă. Acesta călătorește prin tuburi minuscule de la glanda serigenă la țesătoare, unde proteinele încep să se alinieze și să solidifice parțial dope-ul. Fluid de la mai multe glande serigene poate ajunge la aceeași țesătoare, permițând păianjenului să producă mătase cu proprietăți specifice pentru o anumită sarcină, potrivit Școlii de Chimie a Universității din Bristol. Când iese din țesătoare, dope-ul lichid este mătase solidă.
Proprietățile mătăsii de păianjen provin nu doar de la proteine, ci și de la modul în care un păianjen le filează, așa cum au notat oamenii de știință într-o analiză de cercetare din 2011. Când oamenii iau spidroine de la păianjeni și încearcă să recreeze mătasea de păianjen, fibrele rezultate „arată proprietăți mecanice complet diferite față de fibrele filate de păianjeni, indicând că procesul de filare este, de asemenea, crucial”, au scris aceștia.
Acest lucru este ilustrat de păianjenii cribellați, un grup mare de specii cu un organ specializat numit cribellum, care produce mătase cu „lipiciune mecanică” în loc de cleiul lichid al altor păianjeni. Spre deosebire de o țesătoare tipică, cribellumul are mii de orificii minuscule, toate producând fire extrem de subțiri pe care păianjenii le piaptănă cu peri specializați de pe picioare într-o singură fibră lănoasă. În loc de clei, nanofibrele din această mătase par să prindă prada prin fuzionarea cu un strat ceros de pe corpul insectei.
5. Unii păianjeni își înlocuiesc pânzele zilnic, dar reciclează mătasea.
Țesătorii de pânze orbiculare tind să-și construiască pânzele lor iconice în zone relativ deschise, ceea ce le crește șansele de a prinde pradă — și șansele de a suferi daune la pânză. Acești păianjeni își înlocuiesc adesea pânzele în fiecare zi, uneori chiar dacă par încă perfect în regulă, înainte de a-și petrece serile așteptând prada.
Acest lucru ar putea părea o risipă, mai ales având în vedere toată proteina pe care păianjenii trebuie să o folosească pentru a produce mătase în primul rând. Cu toate acestea, chiar dacă un țesător orbicular nu reușește să prindă nicio insectă peste noapte, el încă are de obicei suficientă proteină de mătase pentru a-și demonta acea pânză și a construi una nouă pentru noaptea următoare. Acest lucru se întâmplă deoarece păianjenul mănâncă mătasea pe măsură ce îndepărtează pânza veche, reciclând proteinele pentru următoarea sa încercare.
6. Păianjenii își „acordează” și își ciupesc mătasea ca pe o chitară.
Oricine a urmărit un păianjen în pânza sa știe că acesta acordă o atenție deosebită chiar și celor mai mici vibrații, care ar putea indica prada prinsă. În ultimii ani, totuși, oamenii de știință au descoperit că acest lucru este mult mai complex decât pare. Când este comparată cu alte materiale, mătasea de păianjen poate fi acordată în mod unic la o gamă largă de armonici, potrivit cercetătorilor de la Oxford Silk Group de la Universitatea Oxford.
Păianjenii își „acordează” mătasea ca pe o chitară, explică cercetătorii, ajustându-i proprietățile inerente, precum și tensiunile și conexiunile firelor din pânzele lor. Organele de pe picioarele păianjenilor le permit apoi să simtă vibrații la nivel de nanometri în mătase, care transmit informații surprinzător de detaliate pe multiple subiecte. „Sunetul mătăsii le poate spune ce tip de pradă este prinsă în plasa lor și despre intențiile și calitatea unui potențial partener”, a declarat Beth Mortimer de la Oxford Silk Group într-un comunicat despre descoperiri. „Ciupind mătasea ca pe o coardă de chitară și ascultând ‘ecourile’, păianjenul poate evalua și starea pânzei sale.”
Pe lângă faptul că aduc mai multă lumină asupra puterilor impresionante ale păianjenilor, oamenii de știință sunt dornici să învețe de la un material care combină rezistența extremă cu capacitatea de a transmite date detaliate. „Acestea sunt trăsături care ar fi foarte utile în ingineria ușoară”, potrivit lui Fritz Vollrath de la Oxford Silk Group, „și ar putea duce la senzori și actuatoare ‘inteligente’ noi, integrate.”
7. Unele mătase de păianjen pare să aibă proprietăți antimicrobiene.
Acest tip de interes nu este deloc nou, deoarece oamenii folosesc mătasea de păianjen de mii de ani. Pescarii polinezieni s-au bazat de mult pe rezistența sa pentru a îi ajuta să prindă pești, de exemplu, o metodă încă utilizată în unele locuri. Soldații greci și romani din antichitate foloseau pânze de păianjen pentru a opri sângerarea rănilor, în timp ce oamenii din Munții Carpați tratau rănile cu tuburile de mătase ale păianjenilor cu sac. Rezistența și elasticitatea sa o făceau probabil potrivită pentru acoperirea rănilor, dar se spunea că mătasea de păianjen ar avea și proprietăți antiseptice.
Și conform cercetărilor moderne, acești apreciatori antici ai mătăsii de păianjen s-ar putea să fi fost pe calea cea bună. Într-un studiu din 2012, cercetătorii au expus o bacterie Gram-pozitivă și una Gram-negativă la mătasea de la păianjenul comun de casă (Tegenaria domestica), observând cum creștea fiecare cu și fără mătase. A existat un efect mic în testul Gram-negativ, dar mătasea a inhibat creșterea bacteriei Gram-pozitive, au descoperit ei. Efectul a fost temporar, sugerând că agentul activ este bacteriostatic, nu bactericid, ceea ce înseamnă că oprește creșterea bacteriilor fără a le ucide neapărat. Deoarece mătasea de păianjen este și biodegradabilă, non-antigenică și non-inflamatorie, acest lucru sugerează un potențial terapeutic semnificativ.
Mai recent, oamenii de știință au descoperit cum să amplifice această proprietate naturală a mătăsii de păianjen, creând o mătase artificială cu molecule de antibiotic legate chimic de fibre. Mătasea poate răspunde la cantitatea de bacterii din mediul său, au raportat cercetătorii în 2017, eliberând mai multe antibiotice pe măsură ce bacteriile cresc mai mult. Va dura ceva timp până când aceasta va fi folosită clinic, dar arată promisiuni, potrivit cercetătorilor, care analizează și posibilitatea folosirii structurilor de mătase de păianjen pentru regenerarea țesuturilor.
8. O epocă de aur a mătăsii de păianjen ar putea fi în sfârșit aproape.
În ciuda fascinației noastre îndelungate pentru mătasea de păianjen, oamenii s-au confruntat și cu dificultăți în valorificarea puterilor sale la scară mai largă. Am avut probleme în a crește păianjeni așa cum facem cu viermii de mătase, parțial din cauza naturii teritoriale și uneori canibalistice a creatorilor săi. Și din cauza fineței mătăsii lor, poate fi nevoie de 400 de păianjeni pentru a produce un metru pătrat (aproximativ un yard pătrat) de țesătură. De exemplu, pentru a realiza mantia din mătase de păianjen ilustrată mai sus, o echipă de 80 de oameni a petrecut opt ani colectând mătase de la 1,2 milioane de păianjeni țesători aurii sălbatici din Madagascar (care au fost returnați ulterior în sălbăticie).
Alternativa la creșterea păianjenilor este crearea mătăsii sintetice de păianjen, care ar putea fi o opțiune mai bună oricum, atât pentru noi, cât și pentru păianjeni. Totuși, aceasta a fost și ea greu de obținut, chiar și după ce oamenii de știință au început să dezvăluie structura chimică a mătăsii de păianjen. O genă a mătăsii de păianjen a fost clonată pentru prima dată în 1990, potrivit Science Magazine, permițând cercetătorilor să o adauge altor organisme care ar putea fi mai capabile să producă mătasea în masă. De atunci, o varietate de creaturi au fost modificate genetic pentru a produce proteine de mătase de păianjen, inclusiv plante, bacterii, viermi de mătase și chiar capre. Proteinele se dovedesc adesea mai scurte și mai simple decât în mătasea adevărată de păianjen și, deoarece niciuna dintre aceste creaturi nu are țesătoare, cercetătorii trebuie încă să fileze mătasea singuri.
Cu toate acestea, după ani de frustrare, mult așteptata epocă a mătăsii sintetice de păianjen s-ar putea să fie în sfârșit aproape. Mai multe companii se mândresc acum cu capacitatea lor de a produce proteine de mătase de păianjen din bacteria E. coli, drojdie și viermi de mătase, în scopuri variind de la loțiuni de piele la dispozitive medicale. S-ar putea să trebuiască să așteptăm încă vestele antiglonț și alte țesături rezistente fabricate din mătase recombinantă de păianjen — o căutare care „încă nu a ajuns acolo”, a declarat Hayashi pentru Science în 2017 — dar între timp, oamenii de știință au făcut o altă descoperire cu un produs al arahnidelor mai puțin faimos: cleiul de păianjen.
În iunie, doi cercetători din S.U.A. au publicat primele secvențe complete ale a două gene care permit păianjenilor să producă clei, o mătase modificată, lipicioasă, care ține prada unui păianjen prinsă în pânza sa. Aceasta este o descoperire importantă din câteva motive, explică autorii studiului. În primul rând, au folosit o metodă inovatoare care ar putea ajuta oamenii de știință să secvențieze mai multe gene de mătase și clei, care sunt greu de secvențiat din cauza lungimii și structurii lor repetitive. Doar aproximativ 20 de gene complete de mătase de păianjen au fost secvențiate până acum, iar asta „pălește în comparație cu ceea ce există”, spun cercetătorii.
În plus, adaugă ei, cleiul de păianjen ar trebui să fie mai ușor de produs în masă decât mătasea și ar putea oferi beneficii unice. Deși este încă o provocare să imiți modul în care păianjenii transformă dope-ul fluid în mătase, cleiul de păianjen este un lichid în toate etapele, ceea ce l-ar putea face mai ușor de produs în laborator. Ar putea avea și potențial pentru controlul ecologic al dăunătorilor, spune co-autorul Sarah Stellwagen, cercetător postdoctoral la Universitatea din Maryland, Baltimore County, într-un comunicat. Fermierii l-ar putea pulveriza pe peretele unui grajd pentru a proteja animalele de insectele mușcătoare, de exemplu, și apoi l-ar putea clăti fără a-și face griji cu privire la poluarea apei de la scurgerile contaminate cu pesticide. Ar putea fi pulverizat și pe culturile alimentare, împiedicând dăunătorii fără risc pentru sănătatea umană, sau în zonele infestate de țânțari.
La urma urmei, subliniază Stellwagen, „Acest material a evoluat pentru a captura prada insectelor.”
Acum, la aproximativ 300 de milioane de ani de la apariția păianjenilor, mătasea și cleiul lor au capturat și altceva: imaginația noastră. Și dacă păianjenii ne pot ajuta să învățăm să facem țesături mai rezistente, bandaje mai bune, control mai sigur al dăunătorilor și alte progrese, poate îi putem ierta chiar și pentru că țes toate acele pânze la nivelul feței.
