Nektar a síť • Julia Mikhnevich • Vědecký obrázek dne o prvcích • Arachnologie

Dlouho jsem chtěl věnovat jeden ze svých článků takovému tématu, které při povrchním zkoumání připomíná „Ig Nobelovu cenu“, ale ve skutečnosti má velký praktický potenciál, a to i v průmyslovém měřítku. A tak se našlo takové téma. Ve svém blogu jsem se často dotkl bioniky a dokonce (trochu) bioinformatiky, ale dnes to bude opravdu extravagantní téma.

Již byly provedeny první úspěšné experimenty s cílem vyrobit superpevné pavučiny obsahující grafen a nanotrubice. K tomu stačí dát pavoukům vodu obsahující grafen. Tento experiment provedla v roce 2015 skupina vědců vedená Nicolou Pugno na univerzitě v italském Trentu. Grafen a nanotrubičky jsou zahrnuty ve složení sítě a taková pavoučí vlákna jsou nejméně pětkrát pevnější než obvykle. Unesou i váhu dospělého člověka. Experiment byl proveden v roce 2015 a dokonce se o něm psalo na Habrovi – v tu chvíli se téma zdálo vyčerpané (žertovali o hobitech a Ungoliantovi). Pugnoova práce ve skutečnosti poukázala na to, jak pavoučí hedvábí, stejně jako vlákna bource morušového, prokazují širší vlastnost metabolismu členovců: jejich tkáně se snadno integrují s kovy a dokonce i s polovodiči, což umožňuje vývoj zcela nových materiálů a senzorů. Dále vám řeknu, jaké úspěchy byly v této oblasti bioniky dosud dosaženy.

Proteinová matrice a houževnaté tkáně hmyzu, červů a pavoukovců obsahují různé kovy, zejména zinek, mangan a měď. Tím se dosáhne mechanického zpevnění čelistí, čelistí a vejcovodů a také se zvýší pevnost hedvábí a tkanin. Bylo dokázáno, že do stejných tkání mohou být zavedeny i jiné kovy, například titan, hliník, olovo – a nejen kovy, ale také izolanty a polovodiče. Obzvláště zajímavých výsledků lze dosáhnout přidáním nanodávek takových látek do zvířecího hedvábí – to se děje metodou vícenásobné pulzní infiltrace páry. Tímto způsobem lze zvýšit modul pevnosti hedvábí ze 131 MPa na 1,5 GPa. Biomateriály se zlepšenými mechanickými nebo vodivými vlastnostmi mohou v praxi najít inovativní uplatnění – například při výrobě superpevných tkání nebo regeneraci nervových vláken. Pokud jsou přírodní nitě bource morušového potaženy nanovlákenným uhlíkem, stane se nit elektricky vodivá. Mezi další přísady, které lze přidávat do zvířecího hedvábí, patří nanočástice teluridu kadmia (který činí hedvábí fluorescenčním) nebo magnetitu (který činí hedvábí magnetickým). Nicola Pugno však experimentoval s pavouky. Tkanina je totiž pevnější než nitě bource morušového a také lépe přebírá dané geometrické tvary.

Web má tedy potenciál najít uplatnění alespoň ve čtyřech širokých oblastech použití:

1. Lékařská vlákna
2. Textilie, včetně materiálu na neprůstřelné vesty
3. Dotykové senzory
4. Akustika

Dále se podíváme na podstatu Pugnoových experimentů, mechanické a geometrické vlastnosti webu, zavedení grafenu a nanotrubic do webu a výsledky dosažené ve výše uvedených oblastech.

Historie aplikace a mechanické vlastnosti pavučin

Pavoučí síť má proteinový základ, který je podobný přírodnímu hedvábí a je bioelastickým vláknem. Tkanina se vyznačuje nejen svou elasticitou, ale také vynikající mechanickou pevností, zachovává si svou celistvost při relativně vysokých teplotách a je kombinována s anorganickými přísadami. Pavučina je navíc velmi lehká, se kterou se žádné jiné přírodní ani syntetické vlákno nevyrovná. Konvenční „přadeno“ z vyztužené pavučiny je třikrát pevnější než „přadeno“ z přírodní pavučiny, pětkrát pevnější než ocel a dvakrát pružnější než nylon. Z konstrukčního hlediska je pavučina jedním z nejkvalitnějších materiálů v přírodě.

Možná by tím nejlepším materiálem pro padáky byla vícevrstvá pavučina. Vzhledem k tomu, že pavučina je biologicky odbouratelný materiál, už na konci 19. století z ní zkoušeli vyrábět hemostatické ubrousky. Následně byla síť použita v chirurgii k výrobě umělých šlach.

Pavoučí nit lze bez přetržení natáhnout na dvojnásobek nebo čtyřnásobek své původní délky a v tomto ohledu předčí ocel a kevlar, zejména pryž a nylon. Kromě pevnosti má pavučina ještě jednu jedinečnou výhodu: dobře reaguje na vibrace. Tkanina si zcela zachovává svou integritu při teplotách kolem 200 °C (ale je zničena při teplotách nad 300 °C) a také si zachovává elasticitu při velmi nízkých teplotách, až do -40 °C. Hlavní složka sítě, tzv. „provazové hedvábí“, je netoxická a dosud na ni nebyla zaznamenána žádná imunitní reakce. Pavoučí sítě jsou proto velmi vhodné pro výrobu biologicky odbouratelných chirurgických stehů.

Pokusy o komerční využití pavučin se datují na začátek 1709. století: v roce 1710 François Xavier Bon, který pracoval v Královské komoře vah a měr, daroval Ludvíku XIV. punčochy a rukavice vyrobené z pavučin z Bonovy iniciativy. . Bon byl tak přesvědčivý, když hovořil o výhodách a propracovanosti pavoučího hedvábí, že král pověřil tehdy slavného René Reaumura, autora jedné z prvních teplotních stupnic, aby prozkoumal potenciál takových surovin. V roce 1888 Reaumur kritizoval Bonův nápad (ačkoli biologii pavouků a jejich chování příliš nerozuměl), což zpomalilo takový výzkum přibližně do konce 1899. století. Faktem je, že pavouk (na rozdíl od bource morušového) pečlivě reguluje množství vylučované sítě. Také všichni pavouci jsou agresivní a mají výrazné teritoriální chování. Proto se až do konce 2012. století zdálo vytváření pavoučích farem zcela nerentabilní, především proto, že nebylo možné najít vhodný druh pavouka. Zhruba po roce 25 se Madagaskaru podařilo získat stabilní „mléko“ pavučin z pavouků rodu Nephila; Zlepšením tohoto procesu se v roce 000 podařilo získat pětimetrový kus pavoučího hedvábí. Nefilové se však v zajetí nemnoží a ve volné přírodě jsou stále vzácnější, proto pavoučí hedvábí zůstává specifickým luxusním artiklem. V cenách roku XNUMX byly punčochové kalhoty vyrobené z nefilních pavučin asi XNUMX XNUMX dolarů a pavučinové šaty, jejichž nitě byly získány z přibližně dvou milionů pavouků tkajících koule, vypadaly takto:

Vyhlídky na bionické využití pavučin však nejsou spojeny se světem vysoké módy, ale s výrobou senzorů, flexibilní elektroniky a citlivých povlaků. Jak jsem zmínil na začátku tohoto článku, pavučiny se ukázaly jako překvapivě užitečný „rámec“ pro nanotrubice a grafen.

Grafenerace pavoučí sítě

Nicola Pugno a jeho kolegové vycházeli ze skutečnosti, že některé tkáně pavoukovců se dobře hodí k mineralizaci, takže je docela možné web vylepšit pomocí takové mineralizace. Nanografen byl pro experimenty vybrán, protože se dobře rozpouští ve vodě. Nádoba s pavouky byla zavlažována kapkami vody obsahující nanografen a uhlíkové nanotrubice.

Vědci shromáždili síť před a po takovém experimentu a byli schopni zjistit, že s přidáním grafenu se pevnost v tahu sítě zvýší na 5,4 GPa (pro přírodní síť – z 1,1 na 2,7 GPa) a modul rázové houževnatosti – na 1570 joulů na gram (v přírodě – asi desetkrát méně). Zdá se, že grafen se stále ukázal jako smrtelně škodlivý pro pavouky: 29 % zemřelo druhý den po požití grafenové vody a dalších 24 % nepřežilo do konce experimentu.

Grafenová pavučina se tak stává pevnější než kevlarová, přičemž si zachovává lehkost a flexibilitu, která je přirozenému webu vlastní. Nejzajímavějšími projekty využívajícími zesílenou pavučinu jsou vývoj nárazuvzdorného hedvábí a také biomedicínských materiálů, které pomáhají eliminovat rozsáhlé poškození nervů. Pugnovy zkušenosti nejsou zajímavé ani tak z hlediska chovu pavouků, jako spíše z hlediska genetického inženýrství.

Moderní genetické inženýrství umožňuje izolovat pavoučí geny odpovědné za syntézu sítí a modifikovat s jejich pomocí mnohem jednodušší a „pohodlnější“ organismy – například kvasinky nebo E. coli. Umožnily by snížit náklady na výrobu pásu a rozšířit tento proces. Švédská společnost Spiber, která se o takový vývoj zajímá od roku 2011, vyvinula technologii pro velkovýrobu modifikovaných pavoučích proteinů v bakteriálních kulturách pomocí plazmidů. Výstupem jsou takzvané spidroinové proteiny, které jsou součástí provazového hedvábí, poté mohou být uvedeny do požadovaného stavu agregace nebo zahrnuty do sloučenin v závislosti na tom, jak mají být použity. Celý proces vypadá takto (nákres z archivu společnosti Spiber):

Pavoučí geny se extrahují z pavoučího genomu, vloží se do plazmidu (na buněčné úrovni to lze přirovnat k zásuvné nebo zásuvné knihovně), načež se plazmid vloží do buňky E. coli (hostitelský organismus ). Exprese pavoučích genů začíná v hostitelském organismu a samotná geneticky modifikovaná bakteriální kultura se množí v bioreaktoru. Protein získaný z kultury je purifikován a (je-li rozpustný) může sloužit jako základ pro produkci arachnoidální tkáně. Spiber dostal nejen nitě, ale také fólii, pěnu a sítě, které si zachovávají vlastnosti skutečných pavučin a nehroutí se při teplotách do 267 °C.

Je logické předpokládat, že stejné procesy lze opakovat s weby vyztuženými grafenem. Zvažme potenciál kombinace mechanických vlastností grafenu a pavučin k vytvoření bionických senzorů.

Grafen a pavučina jako materiál pro senzory

Grafen je zvláště zajímavý při výrobě senzorů z několika důvodů: vynikající tepelná vodivost, mobilita elektronů a mechanická flexibilita. Kromě toho lze grafen snadno sestavit do různých geometrických tvarů: vláken, proužků, plátů a aerogelů. Tato tvarová rozmanitost je dána plasticitou mikrostruktury grafenu, která umožňuje vytvářet elektronické obvody, supravodiče a nositelné senzory na bázi této látky. V roce 2018 se čínským vědcům podařilo představit model vysoce citlivého grafenového vodivého senzoru, který kombinuje aerogelová a grafenová vlákna uspořádaná do podoby sítě:

Grafenový aerogel byl lyofilizován za vzniku radiálních vláken a grafenová vlákna byla sušena na vzduchu za vzniku kruhových vláken. Technologie však umožňuje vytvářet další formy a konstruovat senzory vzdálenosti, orientace a polohy. Zde je vhodné podívat se na senzorické vlastnosti běžné pavučiny (což je pohybový senzor a mřížka) a probrat, jak souvisí se zmíněnými vlastnostmi grafenu.

Web je určen nejen pro co nejrychlejší zachycení a fixaci kořisti, ale také pro pohotové informace o místě vstupu oběti do sítě, o velikosti a aktivitě této oběti. Pavouk může posoudit polohu své kořisti podle vibrací nití a její velikost podle měnícího se napětí nití. Reprodukcí takové struktury webu pomocí elektricky vodivého grafenového aerogelu byli vědci schopni nahradit takové mechanické signály elektrickými signály, které byly přenášeny vibrační sítí přes 11 kanálů. Čím blíže byl „pavouk“ ke „kořisti“, tím významnější byla relativní změna elektrického odporu.

Grafenovou síť lze tedy obecně reprezentovat jako flexibilní síťově porézní strukturu. V případě pavučiny se navíc jedná o souřadnicovou mřížku ve dvou rozměrech, ale nic nám nebrání ji rozvinout do trojrozměrné podoby a získat obdobu citlivé houby. Mezitím konfigurace „mesh“ a „pores“ otevírá zajímavé možnosti pro vytvoření elektronického skinu pro roboty, který by měl všechny vlastnosti (mechanické i elektronické) grafenové sítě. Takto tenké porézní povlaky by mohly reagovat na mikropohyby mnohem lépe a rychleji než běžná kůže, čímž se otevřela nová stránka ve výrobě jak hmatových senzorů, tak nositelné elektroniky. Vzhledem k tomu, že grafenové webové sítě mohly přijímat nejen spontánní signály z okolí, ale také informační signály vydávané operátorem, mohla by taková síť pomoci při řízené regeneraci tkání včetně nervové tkáně a také při minimálně invazivní diagnostice.

Na závěr tohoto příběhu bych si také dovolil výhradu, že téma bionických senzorů je rozsáhlé a zajímavé a pokrývá širokou oblast související s výzkumem syntetických bakteriálních biofilmů a wetware, ale to je úplně jiný příběh.

• Populární věda
• Biotechnologie
• Nanotechnologie
• Chemie
• Budoucnost je tady

co to je? Muší hlava? Ne, je to konec pavoučího břicha se třemi páry podlouhlých zvlákňovacích trysek. U pavouka Orsima ichneumon z čeledi skákavých pavouků (Salticidae) je jeden pár zvlákňovacích trysek nasměrován nahoru a připomíná tykadla hmyzu a další dva páry směřují dolů a připomínají ústní ústrojí hmyzu. Takže, když se podíváte na pavouka jako na celek, nebudete okamžitě chápat, kde je jeho hlava a kde je jeho břicho. Na fotografii jsou také jasně viditelné duhové chloupky pokrývající tělo pavouka v různých odstínech. Jasu skákajících pavouků je dosaženo především díky strukturálnímu zbarvení, nikoli pigmentům, a je způsobeno strukturou chloupků a kutikuly, které různě odrážejí a rozptylují světlo.

Mužský pavouk Orsima ichneumon. Foto z článku CJ Painting et al., 2017. Nektary krmení a hlídání u tropického skákavého pavouka

propojky O. ichneumon Žijí v jihovýchodní Asii, včetně Malajsie a Singapuru, a také na ostrovech Borneo a Sumatra. Tito pavouci jsou malí: pouze 5–8 mm dlouzí. Samice a samci jsou velikostně podobní, samec má však užší břicho a odlišně zbarvené pedipalpy. Stejně jako ostatní pestrobarevní skákací pavouci (viz obrázek dne Pavouci), O. ichneumon komplexní chování při páření s ukázkou různých originálních póz a výrazných pohybů. Nás ale dnes zajímá jeho unikátní vlastnost, která dosud nebyla pozorována u žádného jiného druhu pavouka.

V listopadu 2017 plánovala dvojice arachnologů tyto pavouky studovat v Centru biodiverzity Gombak v Malajsii, ale špatné počasí cestu uzavřelo. Vědci nezoufali a vydali se prozkoumat nejbližší houštiny Clerodendrum pilosum (Clerodendrum villosum) a našel to tam. pavouci, kteří si pochutnávali na nektaru z mimokvětních nektárií. Tyto nektary se nacházejí na listech a jsou navrženy tak, aby uspokojily nutriční potřeby mravenců, kteří chrání rostlinu před všemi druhy býložravých darebáků. Ale, jak již víme, někteří pavouci nemají odpor k nájezdům na zdroje tvrdě pracujících mravenců (viz obrázek dne od Bagheery Kiplingové). Na krmení nektarem není nic překvapivého, stravu si jím doplňuje nejméně 90 druhů skákavých pavouků. Při nedostatku jiné potravy přispívá krmení nektarem k lepší fyzické kondici, přežití a plodnosti pavouků.

Ale! Pouze pavouci O. ichneumonKdyž vypili sladkou tekutinu, začnou vrtět svými krásnými břichy poblíž nektárií a zanechávají tam síť. Toto chování si vědci všimli nejprve u samice, poté u samce a další samice. A po nějaké době – ​​se samcem v Singapuru. Můžeme tedy říci, že toto chování je pro daný druh normální. Další druh skákajících netopýrů se živil nektarem na stejných rostlinách. Siler semiglaucusa nebyli pozorováni při vytváření sítí kolem zdroje potravy.

Žena O. ichneumon živí se nektarem a poté v jeho blízkosti položí síť. Obrázek od CJ Painting et al., 2017. Nektary krmení a hlídání u tropického skákavého pavouka

Ale nestačí jen pozorovat zajímavé chování, musíte to nějak vysvětlit! Hlavní hypotézou je chránit jídlo před mravenci. Každý pavouk hlídkoval jeden list a živil se stejnými nektary. Je logické, že tak cenný zdroj je potřeba chránit. Ale když se na listu krmili mravenci větší než samotný pavouk, přesunuli se někam na okraj listu a přečkali nebezpečí tam. A menší mravence prostě odehnal. Jednoho dne vědci pozorovali, jak pavouk zakopl o svou síť a opustil list. To znamená, že pavučina slouží spíše jako překážka, není zamýšleno, aby se do ní chytil hmyz. Skokani chytají svou kořist jinak – skáčou po ní jako kočky.

Pavouk čeká na okraji listu, aby unikl nebezpečí v podobě velkého mravence

Důkazů je málo. Vědci tedy mají alternativní teorii: pavouci označují nektary, aby věděli, které z nich jsou již vyčerpané a na jak dlouho se potřebují znovu naplnit. Sítě ve skutečnosti nesou různé chemické signály, které pomáhají pavoukům číst informace o sobě navzájem. Ale verze o časeыx signálů vypadá exoticky.

Nebo snad web slouží jako “zaneprázdněný” nápis? Aby to ostatní pavouci nedostali. Zdroj je cenný a výživný a stojí za to ho chránit před zásahy nejen mravenci, ale také jejich příbuznými, zatímco vy sami lovíte hmyz.

Pavouk hlídkuje list, živí se nektarem a pokládá síť

V každém případě je k pochopení čehokoli potřeba nový výzkum. A od roku 2017 nejsou žádné nové zprávy a pavouk O. ichneumon zůstává špatně pochopeno. Pokud tedy budete náhodou v Malajsii nebo Singapuru, vyzbrojte se prosím lupou a nezapomeňte nahlásit výsledky svých pozorování.

Foto © Jack KHLoo z flickr.com, 8. listopadu 2020.