Być jak Spiderman – oto marzenie sporej grupy naukowców z całego świata. Wyprodukowanie tworzywa o właściwościach zbliżonych do pajęczej nici stało się jednym ze świętych Graali przemysłu. Trudno bowiem wyobrazić sobie lepszy materiał: mocny, elastyczny, lekki, a przy tym całkowicie naturalny i biodegradowalny. Badacze co jakiś czas wpadają w euforię, twierdząc, że są już blisko znalezienia magicznej receptury.

Niedawno wielki sukces ogłosiła ekipa z Niemiec – udało się jej „podrasować” pajęczynę tak, że stała się trzykrotnie mocniejsza niż w naturze. I choć brzmi to fantastycznie, to droga do masowej produkcji takiej substancji jest wciąż daleka. Dlaczego? A chociażby dlatego, że uczeni nie rozumieją jeszcze do końca, skąd się wzięła i jak powstaje naturalna sieć pajęcza.

Zawikłane początki

Jedno jest pewne – przyroda prowadziła nad tym badania znacznie dłużej niż my. Najstarszy dowód na istnienie przędzy pajęczej liczy bowiem aż 386 mln lat. W 1989 r. paleontolodzy dostrzegli na ciele skamieniałego zwierzęcia znalezionego w Ameryce Północnej tzw. kądziołki przędne. A to na nich u dzisiejszych pająków znajdują się otworki gruczołów produkujących pajęczynę. Naukowcy uznali więc znalezisko za szczątki najstarszego znanego pająka i nadali mu łacińską nazwę Attercopus fimbriungus.

Niedawno okazało się jednak, że wnioski te były przedwczesne. Attercopus nie był „prawdziwym” pająkiem – miał długi, członowany ogon, a przy tym pozbawiony był gruczołów jadowych. „Te pajęczaki były bardziej prymitywne niż pająki, mogły być ich przodkami” – spekulował prof. William A. Shear z amerykańskiego Hampden-Sydney College. Co więcej, okazało się, że rzekome kądziołki były tylko zgrubieniami na ciele zwierzęcia.

A mimo to Attercopus potrafił tkać pajęczynę – nie w formie nici, lecz jedynie płacht jedwabistego materiału. Coś takiego zapewne dobrze się sprawdzało przy wyściełaniu nor, budowie osłonki wokół jaj czy w zaznaczaniu ścieżek, którymi drapieżnik po polowaniu mógł wrócić do nory. Być może nawet potrafił taką płachtą przydusić ofiarę. Ale droga do eleganckiej sieci była jeszcze daleka.

Najstarsze pozostałości takiej struktury liczą 140 mln lat. Milimetrowej długości kawałki pajęczyny zostały utrwalone w niewielkim bursztynie, znalezionym na południowym wybrzeżu Anglii. Jeszcze młodszy – sprzed 110 mln lat – jest dowód na to, że pajęczyny takie były sprawnymi pułapkami. W kawałku bursztynu z Hiszpanii znaleziono 26 fragmentów sieci wraz z wplątanym w nią roztoczem, chrząszczem oraz nogą osy.

„Kiedy patrzysz na to, uderza cię, że geometria sieci, a także typ i rozmiar ofiar są podobne do tego, co zobaczyłoby się dzisiaj” – mówił jeden z odkrywców, dr David Grimaldi z American Museum of Natural History w Nowym Jorku.

Na klej albo na rzep

Stworzenia, które wpadły w tę pradawną sieć, przykleiły się do niej dzięki kropelkom kleju, do dziś widocznym w bursztynie. Taką metodę łapania stosują pająki krzyżakowate. Budują one charakterystyczne koliste pajęczyny, tak często spotykane w ogrodach, lasach czy na łąkach. Te konstrukcje to prawdziwe majstersztyki zwierzęcej inżynierii.

Podobne koliste sieci przędą też pająki z grupy Deinopidae. One jednak nie używają kleju, lecz czeszą swe nici łowne, aż ich struktura zaczyna wyglądać pod mikroskopem niczym rzep. Taka pułapka działa równie dobrze jak klej.

A to tylko część możliwości, jakimi dysponują dzisiejsze pająki. Oprócz mistrzowskich sideł krzyżaków są też poziome sieci kołowe oraz pułapki w postaci płacht czy wręcz bezkształtne. Ich twórcy są szybsi – muszą dopaść ofiarę, zanim zdąży się wyplątać z niezbyt udanej konstrukcji. A i od tej reguły bywają wyjątki. Dr Samuel Zschokke z Universitat Basel w Szwajcarii zauważył, że niektórym pająkom w ogóle się nie śpieszy, choć istnieje ryzyko, że ofiara ucieknie. Prawdopodobnie koszt utkania i „konserwacji” ich byle jakich sieci jest bardzo niski. Drapieżnik nie musi się wysilać, więc nie musi też tak dużo jeść.

W pułapce ze spaghetti

 

Niezależnie od kunsztu tkaczy, sposób produkcji przędzy u każdego z nich jest zbliżony. To, co staje się pajęczyną, ma na początku postać lepkiego, rozciągliwego płynu o konsystencji zbliżonej do żelu. W 30–40 proc. składa się on z włókienek białkowych, reszta to woda. Białka mieszają się tam początkowo jak nitki makaronu w świeżo ugotowanym spaghetti. Gdy jednak muszą przecisnąć się przez wąskie otworki gruczołów przędnych, układają się równolegle.

Wówczas – jak dowodzą prof. Gareth McKinley z Massachusetts Institute of Technology i Nikola Kojic z Harvard University – lepkość płynu spada nawet 500 razy, a substancja nabiera właściwości ciekłego kryształu. „Takie ułożenie białkowych włókien nadaje nici pajęczej jej zachwycającą wytrzymałość” – twierdzi Kojic.

Taka pajęczyna nie jest jeszcze gotowa do użycia. Na powietrzu stopniowo schnie i krzepnie, a pająk rozciąga ją, formując z setek niezwykle cienkich nitek jedną grubszą. Wewnątrz przędzy powstają bardzo drobne struktury krystaliczne, które dodatkowo wzmacniają nić. W grę wchodzą też inne czynniki. Roztwór białkowy, który wydzielają gruczoły przędne, jest bardzo słony – chlorek sodu (czyli sól kuchenna) zapobiega tworzeniu się zbyt długich łańcuchów białkowych, które mogłyby się poplątać, zamiast tworzyć porządną nić. Istotny jest również odczyn, czyli pH. Wewnątrz gruczołu przędnego jest ono dość wysokie (czyli zasadowe), potem z kolei staje się lekko kwasowe...

Natura radzi sobie z tym skomplikowanym procesem bardzo dobrze, ale niestety nie możemy tego bezpośrednio wykorzystać. Pająków nie da się tak łatwo hodować jak np. jedwabniki. „Muszą być trzymane pojedynczo, a nić należy pobierać od każdego pająka co kilka dni” – mówi „Focusowi” dr Zschokke. Ci mali drapieżcy są samotnikami, zajadle broniącymi swych terytoriów, dlatego każda próba masowej hodowli kończyła się kanibalistycznymi ucztami.

Pajęczyna prosto od kozy

Musimy więc zdać się na biotechnologię. Naukowcy od lat próbowali wyprodukować pajęczynę w laboratorium. Gdy wyodrębnili geny kodujące białka nici pajęczej, wszczepili je bakteriom, drożdżom oraz roślinom. Zadziałało, ale nie do końca. „Rezultat był zawsze rozczarowujący: nierozpuszczalne białka przędzy, które zbijały się w masy wewnątrz komórek” – pisali uczeni.

Pierwszy przełom ogłosili badacze pracujący dla firmy Nexia i amerykańskiej armii. Geny wszczepili do hodowanych w laboratorium komórek ssaków. Wydzielały one białka pajęcze na zewnątrz – wystarczyło zebrać materiał, obrobić chemicznie i uprząść włókna. Tak otrzymano – jak donosił prestiżowy tygodnik „Science” – „nici lżejsze i twardsze od kevlaru, a prawie tak elastyczne jak nylon”. Choć, jak przyznawali badacze, wciąż były one słabsze od oryginalnej przędzy.

Kolejnym etapem miało być wszczepienie pajęczych genów kozom. Białka pajęczyny byłyby pozyskiwane z mleka, a to oznaczałoby możliwość masowej produkcji. Nowy materiał nazwany BioSteel (czyli biostal) miał znaleźć mnóstwo zastosowań: doskonałe sztuczne ścięgna i więzadła, biodegradowalne szwy do operacji okulistycznych, superwytrzymałe sieci rybackie, ultralekkie kamizelki kuloodporne...

„Problem w tym, że nikt tak naprawdę nie pojął, dlaczego to w ogóle działa” – komentuje Greg Pollock z Massachusetts Institute of Technology. A bez zrozumienia struktury pajęczyny nie uda się uprząść materiału na jej wzór. I dlatego do dziś tworzywa takie jak BioSteel nadal są w fazie badań.

Materiał dla Spidermana

Pozostaje mieć nadzieję, że laboratoryjne wynalazki trafią kiedyś pod strzechy. A warto będzie czekać choćby na wspomnianą na wstępie wzmacnianą pajęczynę. Niemieccy badacze skorzystali z wyrafinowanej technologii i pokryli ją atomami cynku, tytanu i glinu, a nawet wcisnęli metal do jej środka, między cząsteczki białek. Taka przędza jest bardziej odporna na łamanie i deformacje. „W odróżnieniu od naturalnych pajęczyn, które są bardzo wrażliwe na czynniki takie jak wilgotność i temperatura, nić nasycona metalami praktycznie na to nie reaguje” – chwalił się na łamach tygodnika „Science” zespół kierowany przez Seunga-Mo Lee z Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik w Halle.

Ta technika ma pozwolić na wyprodukowanie supertwardych materiałów tekstylnych. Seung-Mo Lee zapowiedział już, że zamierza teraz w podobny sposób nasycić pajęczynę sztucznymi polimerami, np. teflonem – a to z kolei może oznaczać nić ognioodporną. Czymś takim nawet Spiderman by nie pogardził! Ale na razie, niestety, musi się uzbroić głównie w cierpliwość.

Mistrzowie sztuki

Tkania i polowania Pająki wyróżnia na tle innych zwierząt zestaw wyspecjalizowanych „narzędzi”, zwiększających ich szanse na przeżycie. Przykładem może być czarno-żółty tygrzyk ogrodowy (Argiope aurantia), powszechnie występujący w Ameryce Północnej. Choć osiąga spore rozmiary (głowotułów samic może mierzyć nawet 4 cm), nie stanowi zagrożenia dla ludzi. Co innego w przypadku owadów – gdy wpadną w jego misternie utkaną sieć, pająk chwyta je, wstrzykuje jad i konsumuje, przytrzymując nogogłaszczkami.

Tkanie sieci ułatwiają mu pazurki i szczecinki na nogach. Z kolei charakterystyczne ubarwienie ciała sprawia, że w częściowo oświetlonych miejscach, gdzie tygrzyk najczęściej zastawia swą pułapkę, jest praktycznie niewidoczny dla drapieżników. W razie zagrożenia pająk może też wprawić sieć w wibrację, co dla ptaka czy szerszenia jest na tyle mylące, że woli poszukać mniej kłopotliwej zdobyczy.