Byla odhalena jeho jemná struktura
Z creation.com přeložil Pavel Akrman – 03/2025. Translation granted by Creation.com – přeloženo s povolením od Creation.com.
Pavoučí vlákno je známé jako „inteligentní“ vlákno; může reagovat odlišně na různé způsoby namáhání a je vysoce pružné.1
Avšak jeho nejpozoruhodnější vlastností je jeho neuvěřitelná pevnost, srovnatelná s nejpevnějším typem hedvábí známým jako vlečné vlákno neboli hlavní ampulární hedvábí (MAS – Major Ampullate Silk). Vlečné vlákno se používá k výstavbě hlavní konstrukce pavučin. Slouží jako záchranné lano pro samotné pavouky. Jeho pevnost v tahu, tedy maximální tažná síla, kterou materiál vydrží před přetržením, je srovnatelná s vysoce kvalitní legovanou ocelí. Nerezová ocel je však 5–6krát hustší, což znamená, že má mnohem větší hmotnost a váhu při stejném objemu.
Síla vlečného vlákna uchvátila vědce v oblasti materiálové vědy. Předpokládají výrobu syntetických vláken s podobnými vlastnostmi, která by mohla potenciálně nahradit materiály jako je syntetický Kevlar® (používaný v neprůstřelných vestách), polyester a uhlíková vlákna v různých průmyslových odvětvích.2 Kromě toho se vlákno vyrábí při pokojové teplotě, bez použití agresivních chemikálií, a je biologicky rozložitelné.
Darwinův kůrový pavouk: super vlákno a super pavučina
Příklad neuvěřitelné pevnosti pavoučího vlákna ukazují největší známé kruhové pavučiny. Rozkládají se na ploše 900–28 000 cm2 (140–4 340 palců2) a často se klenou i nad řekami (obr. 2). Tyto pozoruhodné sítě vyrábí Darwinův kůrový pavouk (Caerostris darwini) z Madagaskaru, jehož MAS má pevnost v tahu 1,6 GPa, což je více než 230 000 liber na čtvereční palec!
Obr. 1
Obrázek 1. Schematické znázornění (ne v měřítku) navrhované struktury podle pavoučího vlákna | Iachina, I., Fiutowski, J., Rubahn, HG. a kol. | Sci Rep 13, 6695 (2023) |.
Kromě své pevnosti v tahu je MAS také uznáváno jako nejtvrdší biologický materiál. Odolnost je měřítkem toho, kolik energie může materiál absorbovat, než se přetrhne. MAS pavouka C. darwini má průměrnou pevnost 350 MJ/m3, dosahující až 520 MJ/m3. To znamená, že je dvakrát pevnější než jakékoli jiné známé pavoučí vlákno a desetkrát tvrdší než Kevlar®.3
Obr. 2
Obrázek 2. Sítě pavouka C. darwini přes potoky a řeky. Překlenovací délka vpravo je více než 10 m (PMC (nih.gov).
C. darwini není nijak zvlášť velký. Větší samička měří na délku 0,5–2,2 cm (0,2–0,9 palce) a váží 0,5 gramu (0,02 unce). Ale její MAS musí mít průměr jen asi 7 mikronů (1 mikron = 1 µm = miliontina metru), aby ji udržela. Je tenčí než nejjemnější lidský vlas. Je pozoruhodné, že pokud bychom dokázali zkonstruovat lano typu C. darwini MAS o průměru 1 mm, uneslo by africkou lvici (viz rámeček níže) o váze 130 kg (290 liber).
Proč je pavoučí vlákno tak pevné?
Biofyzička Irina Iachina z University of Southern Denmark a její kolegové použili ke studiu přírodního stavu pavoučího vlákna několik neinvazivních mikroskopických technik. Analyzovali MAS i MiS (Minor Ampullate Silk) vlákna. MiS je slabší, ale pružnější typ vlákna používaného pro pomocné linie a vzdušné linky, které vedou pavouka po síti.3,4
MAS zkoumaných pavouků tkajících kruhové pavučiny byla o síle asi 10 µm a MiS asi 5 µm. Výzkumný tým zjistil, že každé vlákno obsahuje velký počet o mnoho tenčích fibril. MAS fibril měly průměr přibližně 0,135 um, zatímco fibrily MiS měly průměr přibližně 0,116 um. To je mnohem menší než nejmenší vlnová délka viditelného světla (0,38 µm), takže běžné světelné mikroskopy jsou pro jejich analýzu k ničemu.
Vlákna jsou rovnoběžně spjatá těsně k sobě a nejsou pokroucená. To, že se vlákna nekroutí, je dobrým znamením pro výrobu syntetických nekroucených vláken.3 Tenké fibrily jsou vzájemně provázány alespoň ve dvou vnějších lipidových (tukových) vrstvách.
Závěr
O ohromující složitosti pavouků a jejich vláken toho bylo napsáno již mnoho. Tato mikroskopická studie přírodních vláken z dubna 2023 ukazuje, že pavoučí vlákno je ještě složitější a komplikovanější, než se dosud myslelo.
JAKOU ZÁTĚŽ UDRŽÍ VLEČNÉ VLÁKNO?
Vlečné vlákno má pevnost v tahu kolem 1 GPa. To znamená, že k přetržení vlákna vyžaduje 109 newtonů (N) na 1 m2 plochy průřezu. Nejsilnější známé vlečné vlákno – to z Darwinova kůrového pavouka – má pevnost 1,6 GPa.
Pevnost v lomu = plocha průřezu × pevnost v tahu.
Za předpokladu průměru (d) 1 mm = 0,001 m je poloměr (r) poloviční než 0,0005 m. Plocha se vypočítá podle standardního vzorce = πr2 ≈ 8 × 10–7 m2.
Pevnost v lomu ≈ 8 × 10–7 m2 × 1.6 × 109 N/m2 ≈ 1 300 N.
Na hladině moře je gravitační zrychlení (g) asi 10 m/s2 a to odpovídá 10 N/kg. To znamená, že každý kg váží asi 10 N. Tedy hmotnost lvice (viz hlavní text), kterou to udrží ≈ 1 300 N ÷ 10 N/kg = 130 kg.
Lano o průměru 1 cm (~ 0,4 palce) je 10krát silnější, má 100krát větší průřez, a tedy pevnost vůči přetržení, takže může udržet 13 tun – což je přibližně hmotnost londýnského dvoupatrového autobusu.
Odkazy a poznámky
- Sarfati, J., Spider silk: both strong and smart, Creation 34(3):56, July 2012.
- Birgitte Svennevig, S. (University of Southern Denmark), New details about the strongest spider silk in the world, phys.org, 20 Jun 2023.
- Agnarsson, I. and 2 others, Bioprospecting finds the toughest biological material: Extraordinary silk from a giant riverine orb spider, PLoS One 5(9):e11234, 2010.
- Jachina, I. and 4 others, Nanoscale imaging of major and minor ampullate silk from the orb-web spider Nephila madagascariensis, Scientific Reports 13:6695, 24 Apr 2023.