Pevnější než ocel, houževnatější než kevlar. Neuvěřitelné vlastnosti pavoučí sítě

24. 4. 2025 Iveta Mauci 3 min read 1166 Zobrazení kevlar, medicína, pavouci, pavoučí sítrě, pružnost, vědecké objevy

^{Článek byl upraven podle vědecké studie}^{Sinana Ketena}^{, hlavního autora studie, který je odborníkem na bio materiály. Je profesorem a docentem strojního inženýrství a profesorem civilního a environmentálního inženýrství na Northwesternské univerzitě}^{McCormick School of Engineering.}

Pavoučí hedvábí je nejsilnějším organickým vláknem. Čím více je natahujete, tím jsou vlákna pevnější.

Pavoučí vlákno, které vypadá velmi křehce, je pevnější než ocel, tvrdší než kevlar a navíc je pružné jako guma.

Jak je to možné?

Když pavouci ze své žlázy spřádají hedvábí, použijí zadní nohy k tomu, aby vlákno chytili a vytáhli. Tím se vlákno při jeho tvorbě natahuje a zpevňuje. Díky tomuto přirozenému procesu je vlákno velmi pevné a také velmi elastické. Vědci zjistili, že můžou upravit mechanické vlastnosti vlákna jednoduše, a to změnou míry natažení.

Výhodou takového vlákna je také to, že je biologicky odbouratelný. Je to tedy ideální materiál pro lékařské účely. Mohl by se používat pro chirurgické stehy a adhezivní gely pro uzavření ran, protože by se v těle přirozeně a neškodně rozložil. Ale to není všechno.

Díky nové studii by vědci mohli zkonstruovat proteiny inspirované pavoučím hedvábím a zkopírovat procesy spřádání pro různé aplikace. Taková vlákna by se pak dala použít nejen v medicíně, ale dokonce i k výrobě vysoce výkonných neprůstřelných vest.

Chov pavouků pro získání jejich přírodního vlákna je ale drahý. Jde o energeticky náročný a obtížný proces. Takže vědci místo toho chtějí v laboratoři znovu vytvořit materiály, které budou co nejvěrnější kopií.

Simulace pavoučího hedvábí

Vědci zjistili, proč je tato role protahování tak důležitá. Simulací pavoučího hedvábí v modelu tým zjistil, že proces natahování zarovná proteinové řetězce ve vláknech a zvyšuje počet vazeb mezi těmito řetězci. Oba faktory pak vedou k silnějšímu a tužšímu vláknu.

Umělé pavoučí hedvábí poskytuje silnější a biologicky odbouratelnou alternativu k jiným syntetickým materiálům, což jsou většinou plasty získané z ropy.

Když vědci začali s touto studií, věděli, že toto natahování je nezbytné pro výrobu opravdu silných vláken, ale nikdo dosud nevěděl proč tomu tak je. Ale s jejich novou výpočetní metodou byli schopni zkoumat, co se ve vlákně děje v nanoměřítku.

Prostřednictvím simulací vědecký tým z Northwesternské univerzity zkoumal, jak protahování ovlivňuje uspořádání proteinů ve vláknech a jak protahování mění pořadí proteinů, vzájemné spojení a pohyb molekul ve vláknech.

Vědci v tom mají jasno

Vědci zjistili, že protahování způsobilo, že se proteiny „seřadily“, což zvýšilo celkovou pevnost vlákna. Zjistili také, že protahování zvýšilo počet vodíkových vazeb, které fungují jako mosty mezi proteinovými řetězci a tvoří pevné vlákno. Nárůst vodíkových vazeb přispívá k celkové pevnosti, houževnatosti a pružnosti vlákna.

Jakmile je vlákno vytlačeno, jeho mechanické vlastnosti jsou ve skutečnosti docela slabé, ale když se natáhne až na šestinásobek původní délky, stane se velmi silným.

Přestože si Graham dříve myslel, že pavouci jsou jen odpudiví, nyní vidí jejich potenciál pomoci vyřešit skutečné problémy.

„Dřív jsem si myslel, že jsou na obtíž. Teď je vidím jako zdroj fascinace.“

^{Studie byla publikovaná v časopise}^{Science Advances}

Vědci mají nové vodítko k vývoji mnohobuněčného života

8. 4. 2025 Iveta Mauci, šéfredaktorka a licencovaná autorka vědeckých zpráv NASA, ESO, ESA, AAAS a EurekAlert 4 min read 1001 Zobrazení evoluce, mnohobuněčný život, vědecké objevy, vývoj

Nové Věda Vědecké objevy Výzkum

odně teorií o původu mnohobuněčného života se zaměřuje na chemii, oproti tomu se vědci nové vědecké studie rozhodli prozkoumat roli fyzických sil v tomto procesu. Vědci tak otevřeli nový pohled na možnou hnací sílu tohoto klíčového kroku evoluce, který označili jako dynamiku tekutin kooperativního krmení.

Zkoumání dynamiky tekutin a kooperativního krmení

_{Podle tiskové zprávy Carol Clarkové, Univerzita Emory}

Hodně teorií o původu mnohobuněčného života se zaměřuje na chemii, oproti tomu se vědci nové vědecké studie rozhodli prozkoumat roli fyzických sil v tomto procesu. Vědci tak otevřeli nový pohled na možnou hnací sílu tohoto klíčového kroku evoluce, který označili jako dynamiku tekutin kooperativního krmení.

Život se na Zemi objevil asi před 3,8 miliardami let. Nová teorie prvotního vzniku navrhuje, že organické molekuly spontánně vytvořily chemikálie plovoucí v kalužích vody za přítomnosti slunečního světla a elektrického výboje. Tyto stavební kameny života prošly chemickými reakcemi, pravděpodobně řízenými RNA, které nakonec vedly k vytvoření jednotlivých buněk.

Ale co podnítilo jednotlivé buňky, aby se shromáždily do složitějších, mnohobuněčných forem života?

Jak na to přišli?

Nápad vznikl, když jeden z autorů výzkumu sledoval, jak se krmí stentory, jednobuněční tvorové ve tvaru trubky, kteří se vznášejí blízko hladiny rybníků. Prostřednictvím mikroskopického videa zachytil dynamiku tekutin stentoru v laboratorní misce naplněné tekutinou, když organismus nasával částice obsažené v tekutině. Zaznamenal také dynamiku tekutin párů a skupin stentorů, kteří při krmení fungovali ve shlucích.

Projekt začal krásnými obrazy proudění tekutin, teprve později si vědci uvědomili evoluční význam tohoto chování. Vědci zjistili, že seskupení stentorů do kolonií jim prospívá tím, že generují silnější toky, kterými sbírají více potravy z větší vzdálenosti.

Stentory tvoří dočasné kolonie ve tvaru polokoule.

Mnohobuněčné chování stentorů by se tedy dalo použít jako modelový systém, který pomůže pochopit, jak se život vyvinul z jednobuněčných organismů na složité organismy, jako jsou lidé, kteří jsou složení z bilionů buněk se specializovanými úkoly.

„Můžete rozřezat stentor a každý malý kousek se během 12 hodin stane kompletním organismem,“ říká Shekhar. „Jsou fascinující v mnoha ohledech.“

Na úzkém konci stentoru je uchopovací mechanismus známý jako „holdfast“, který umožňuje organismu ukotvit se na větvičku, list nebo jinou organickou hmotu plovoucí ve vodě. Široký konec stentoru jsou v podstatě obří ústa lemovaná řasinkami podobnými vlasům. Řasinky ve vodě vytvářejí proudy, které jí do tlamy vhánějí částice potravy, jako jsou bakterie nebo řasy.

Stentoři dokážou ze svého fixačního konce vylučovat určitý druh mazu. Tato pasta jim umožňuje přilnout k organickým povrchům a dočasně se zformovat do kolonií, které mají tvar polokoule.

Snad nejpozoruhodnější věcí na stentorech je jejich velikost. Většina lidských buněk je nejméně 10krát menší než šířka lidského vlasu. Jednobuněčný stentor je však viditelný lidským okem. Na délku mají asi 1 až 2 milimetrů. Velikost stentorů tak usnadňuje záznam detailních snímků jejich chování pod mikroskopem.

Dynamika tekutin

Shekhar se rozhodl prozkoumat dynamiku tekutin, která se podílí na plnění filtrů stentorů. Do kapaliny přidal plastové kuličky o velikosti mikronu, aby viděl, co se stane. Drobné plastové částice sloužily jako indikátory, díky nimž byly toky generované řasinkami stentora viditelné.

Jak se jejich hlavy přitahovaly k sobě, toky generované dvěma stentory se spojily do jediného víru, který vytvořil silnější proud, schopný vtáhnout více částic z větší vzdálenosti. Zdálo se, že vytváření kolonií dále zvyšuje jejich schopnost nasávat částice. Proč se tedy jednotliví stentoři občas odtrhli od skupiny, aby odplavali sami?

A giant, single-celled organism that lives in ponds inspired Emory physicist Shashank Shekhar to discover a new clue for how multicellular life may have first formed.

➡️ ? How Multicellular Life May Have Evolved: https://t.co/nYS8rVgzYw pic.twitter.com/CMdI7vm5dj
— Emory University (@EmoryUniversity) April 3, 2025

Vědci se domnívají, že slabší stentoři těžili ze spojení sil více než silnější. Kolonie jsou dynamické, protože stentoři neustále mění partnery. Ti silnější jsou v jistém smyslu zneužíváni. Často střídají partnery, takže všichni mají stejný prospěch.

Vědci vyvinuli matematické modely k testování této teorie v experimentálních nastaveních prostřednictvím odborných znalostí matematika z Ohia. Výsledky v párovém systému ukázaly, že jeden stentor vždy získal větší výhodu než druhý a že vytvoření velké kolonie, včetně dynamického přemisťování jedinců, zvyšuje průměrnou rychlost krmení pro jednotlivé stentory.

Zjištění poskytují nový pohled na selektivní síly, které mohly upřednostňovat raný vývoj mnohobuněčné organizace.

Je úžasné, že jednobuněčný organismus bez mozku a neuronů vyvinul chování pro oportunismus a spolupráci. Možná, že tyto druhy chování byly pevně zabudované do organismů mnohem dříve v evoluci, než si vědci uvědomovali.