Цікавості

Человек-паук глазами биохимика, или почему бы не недооценить шелк паука

 человек-паук глазами биохимика, или почему бы не недооценить шелк паука

Неуправляемый поезд с 500 пассажирами сразу остановится на реке. Тормоза залипли и не работают. Кто спасет пассажиров? Внезапно из ниоткуда появляется Человек-паук, стреляет шелковыми нитками перед поездом и останавливает их в последнюю минуту. Пока Человек-паук радуется красоте поезда и славе героя, шелковые нити создают образ невероятно прочного материала. Похоже, что создатели этого фильма сложили свои палки. «А что, если?» — задумались ребята из Лестерского университета и решили распутать этот мини-гордиев узел..
Свойства паучьего шелка в кино и реалити
Помните, когда вы в последний раз касались интернет-темы? Он такой тонкий, пустой, что на палец ребенка, кажется, хватит, чтобы нить порвалась. Как Человек-паук останавливает поезд?
Все мы видели сцены боевика, где массовые 5 тысяч. тонна поезда врывается в вагон, в котором ничего не остается. Может ли эта паутинная шелковая нить остановить поезд? Трудно представить?
Проявите фантазию и утолщите памятную шелковую нить минимум на 100 тысяч. картЕі. Вы получите шелковые нити, показанные в фильме "Человек-паук". Все еще трудно поверить, что паучий шелк может быть настолько прочным2 Неважно. Тогда давай воспользуемся наукой и посмотрим, возможно ли это на самом деле..
Первый вопрос, который пришлось решить студентам Лестера, заключался в том, чтобы оценить силу, с которой массивный высокоскоростной поезд, остановленный Человеком-пауком, был остановлен его шелковистыми следами в фильме о приключениях Человека-паука. Как оказалось, паук в пленке из шелка должен был выдержать силу в 300 000 Н (Ньютонов). Для сравнения, человек потребляет в среднем 700 Н. пищи. Однако, хотя на первый взгляд может показаться глупым искать хоть малейший шанс того, что шелк может выдержать такое количество силы, молодые ученые продолжают свои исследования..
При определении прочности шелка противостоять таким чудовищным силам они использовали физическую модель и описали шелк через модуль Юнга. Модуль соединения, измеренный в паскалях (сила растяжения или сжатия на квадратный метр), показывает, какое усилие потребуется для удвоения растягиваемого материала. Таким образом, для растяжения шин потребуется больше усилий, чем для растяжения жевательной резинки, поэтому модуль упругости резины у шин будет выше, чем у жевательной резинки..
Каким должен быть модуль Юнга из паучьего шелка, чтобы сделать поглощающий 300 тысяч шелк. Сила N, растянутая всего в два раза? Согласно расчетам, модуль Юнга должен быть равен 3,100,000,000 Па или 3,1 гигапаскалей (ГПа. Для сравнения: атмосфера давит на нас всего 101,325 Па (0,101325 ГПа). Разве такие фантастические числа не реальны? После исследования самых прочных паучьих шелков значения модуля Юнга были шокирующими: паучий шелк в голливудской сцене должен был иметь модуль Юнга около 3,1 ГПа, в то время как изученные шелковые джунги находились в диапазоне от 1,5 до 12 ГПа. Звучит невероятно, но самый прочный паучий шелк на земле тянется вдвое длиннее, останавливая еще больший поезд.!
Биолог Уильям К. Пурвесс говорит, что в самом фильме невероятно недооценивается потенциал паучьего шелка. По словам ученого, чтобы задержать поезд, хватило бы даже более тонких шелковых ниток! Кроме того, Сян Ву, исследователь из Национального университета Сингапура, добавляет, что нить толщиной с карандаш может остановить даже летящий Боинг..
Шелк паука очень тонкий, около 5 микрометров. Они в три раза тоньше человеческого волоса, поэтому неудивительно, что нам удалось создать изображение из непрочного материала. Но на самом деле при благоприятных биологических условиях филамент толщиной 0,005 мм и длиной 4 см может выдержать массу до 100 мг. Утолщите эту нить до 1 мм, и она выдержит 5 кг. Сплетите из таких ниток 2 см нити и она сохранит 2 тона.!
Паучий шелк против сильнейших — кевлара и стали
Когда вы слышите о таких свойствах, вам хочется сравнить их с другими материалами, такими как кевлар (основной материал бронежилетов) или сталь. При испытании материалов на ударопрочность учитываются следующие три основных свойства: ударопрочность, прочность на разрыв и плотность..
Когда стальные стержни помещаются на специальное приспособление и вытягиваются, мы можем видеть, что только очень небольшое, тяжелое и медленное растяжение становится видимым при воздействии на них большой силы. Неудивительно, что высокая прочность стали на разрыв хорошо известна. Между тем, при растяжении шелковой нити все время наблюдается плавное и длинное растяжение (шелковая нить менее устойчива к натяжению)..
Похоже, что сталь побеждает в этой борьбе против живущих в Литве слабых паучьих шелков. Однако мы будем удивлены сравнением сил, которые требовались для растяжения как стали, так и самого прочного паучьего шелка. Паук смог растянуть шелк на 1,3 ГПа по сравнению с силой 1,6 бар в стальном стержне. Хотя он тянется больше, чем сталь, паучий шелк легко не сдается. Не будем забывать, что паучий шелк в 6-4 раза легче стали. После утолщения шелковой нити и разглаживания массы образцов сталь тускнеет в борьбе за прочность на разрыв. Такой же массы, но более толстая, шелковая нить намного более эластична, чем стальная..
Еще один важный параметр — ударопрочность. Он отличается от параметра, который только что обсуждался, тем, что в этом случае измеряется сила, чтобы не растягивать, а разрушать стальные или шелковые нити. Эта величина измеряет количество энергии, которое поглощает растягивающийся материал, прежде чем он прекратится. Другими словами, сколько энергии необходимо, чтобы дать кубический метр материала (Дж / м 3), чтобы произвести этот разрыв. По сравнению с другими материалами, такими как кевлар или сталь, шелк также побеждает их..
Самый устойчивый к шелку шелк производят пауки. Каэрострис Дарвини, с ударопрочностью 520 Дж / см3. Ткань из такого шелка может поглощать в 10 раз больше энергии, чем кевлар, используемый при производстве бронежилетов. Это означает, что ткань толщиной менее сантиметра могла остановить пулю калибра 9 мм..
Шелк — это белковый полимер — большая макромолекула, состоящая из повторяющихся мелких частей — «строительных блоков». Анализ, проведенный в 1996 году, показал, что шелк представляет собой цепь, состоящую из небольших аминокислот, глицина и аланина («строительные блоки» шелка). Поскольку эти аминокислоты самые простые и маленькие, они очень компактны и образуют плотные кристаллические области. Эти тяжелые регионы занимают всего 15 процентов. общий объем протеина шелка. При такой плотности они укрепляют другие части белка шелка и предотвращают его раздавливание, когда белок подвергается воздействию высоких сил. Другие части белка состоят из больших аминокислот, таких как тирозин или аргинин, размер которых «увеличивает» белок и не дает ему стать более плотным и обеспечивает удивительную эластичность. Такая большая молекулярная структура напоминает пружину, витки которой соединены между собой плотными аминокислотами, которые не позволяют пружине полностью растягиваться и ломаться. Такое сочетание легких упругих пружин и плотных жестких застежек создает легкий, эластичный материал, который не ломается даже при больших нагрузках..
Будущее — технологии и паучий шелк
Искусственный паучий шелк можно использовать не только в сталелитейной промышленности, производстве пластмасс, электроники, но и в человеческом организме..
Стальные веревки можно заменить более толстыми и легкими шелковыми веревками. Они останавливали машины и поезда с сломанными тормозами или истребители приземлялись на авианосец! Если вы не знали, стальные тросы, такие как «тряпичная» резина, теперь помогают истребителям взлетать или приземляться на самолет..
Паучий шелк позволяет заменить большое количество пластиков, добыча которых, как и сталь, чрезвычайно загрязняет природу. Шелк также ожидается в медицине, потому что он может заменять некоторые ткани в организме человека и имеет гораздо лучшие свойства, чем современные материалы, используемые в медицине..
Как мы уже выяснили, паучий шелк эластичен и устойчив к истиранию. Более того, он биологически «дружелюбен» — очень похож на ткани человека. Это очень легко воспринимается нашим телом как «я», в отличие от современных синтетических имплантатов. Здесь, например, сухожилия, соединяющие наши кости с мышцами, легко заменяются сухожилиями из искусственного паучьего шелка. Паучий шелк также можно использовать для восстановления поврежденных связок — тканей, соединяющих кости с другими костями..
Шелк паука также приветствуется в военной промышленности, чтобы заменить жилетки из кевлара. В одном исследовании «шелковая кожа» была создана путем сочетания паучьего шелка с кожей. Такая ткань остановила пулю калибра 9 мм без трещин, и, по мнению авторов исследования, шансы еще больше увеличиваются при увеличении толщины такой ткани в десять раз..
Но все было бы хорошо, если бы не было «но». Проблема во всем — в промышленном производстве. Были предприняты попытки добыть паучий шелк разными способами. Во-первых, делались попытки выращивать шелковых пауков на фермах, но пауки — каннибалы и территориальные существа, которым не нравится компания. Если мы бросим в комнату много пауков, они начнут драться за территорию и поедать друг друга, пока территория, наконец, не освободится для оставшихся нескольких пауков. Однако эта проблема не помешала создать ткань длиной три метра. Если, конечно, не упомянуть, что на изготовление такой ткани ушло около 100 рабочих и 1 миллион. паук, из которого шелк добывали целых 4 года. Питомники пауков просто влюбляются в свою эффективность.
Другое решение — вставить ген, кодирующий белки шелка, в другие организмы. Это так? Да, и сейчас он проходит испытания в лабораториях. Этот ген был встроен в ДНК бактерий, но производимые белки очень большие, что затрудняет прохождение через бактериальную мембрану, и процесс идет медленно. Теоретически можно было бы засеять очень большое количество бактерий, компенсируя тем самым медленное высвобождение белков. Но есть и вторая проблема — таким образом получается некачественный полимер..

Паучий шелк имеет лучшие характеристики, чем кевлар.
Самый устойчивый к ударам шелк производят пауки. Каэрострис Дарвини, с ударопрочностью 520 Дж / см3. Ткань из такого шелка может поглощать в 10 раз больше энергии, чем кевлар, используемый при производстве бронежилетов. Это означает, что ткань толщиной менее сантиметра могла остановить пулю калибра 9 мм..

Одна из самых прочных структур шелка в мире.
Другой эксперимент проводился с участием генетически модифицированных растений, таких как листья табака. Таким образом, белки извлекаются быстро и качественно, но шелк, полученный этим методом, трудно очистить..
«Что, если бы коза производила молоко из растворенных белков шелка паука», — подумал Рэнди Льюис из Университета Юты в США. Ученый генетически модифицировал коз, вставив от них шелковый ген в паука. Полученное молоко очищается и фильтруется от жира, затем белок шелка отделяется от белка молока. Полученный концентрат шелкового протеина затем укрепляет пряжу при впрыскивании ее в специальные жидкости (такие как гексафторизопропанол). Этот метод относительно эффективен, потому что у коз белок секретируется через клетки, которые созданы, чтобы пропускать большие молекулы белка через свои мембраны, в отличие от бактериальных мембран. Единственная проблема — низкая концентрация белка — примерно 1-2%. Это означает, что примерно из 1 литра козьего молока получается всего 2 метра шелка. Конечно, это уже хорошее начало, но господин Льюис надеется поднять концентрацию до 10%. и, возможно, тогда можно будет планировать промышленную добычу этого шелка.
Когда паук оказывается в центре внимания, некоторые из нас пугаются, а некоторые застревают в воспоминаниях о героях фильма. Но кто бы мог подумать, что это творение природы за миллионы лет вплетено в одно из сильнейших биоорганических веществ, которое скоро успеет изменить нашу жизнь. Исследования паучьего шелка все еще находятся в зачаточном состоянии, массовое производство шелка в ближайшие 10 лет — наивное ожидание. Учитывая прогресс в этом исследовании и тот факт, что университеты и компании по всему миру соперничают за эту технологию экстракции шелка, разумно ожидать, что мы раскроем способы извлечения самых сильных биополимеров в этом столетии..
Источник: www.lrt.lt

Related Articles

Добавить комментарий

Back to top button