Odhaduje sa, že pavúky obývajú túto planétu 450 miliónov rokov, čiže tu boli už dávno predtým, než sa vôbec nejaký hominid objavil na scéne. Za taký dlhý čas evolúcie mali dosť času vyvinúť si efektívnu stratégiu lovenia koristi. A dôkazom toho, že naozaj nezaháľali, je existencia úžasného prírodného vynálezu – pavúčej siete.
Pavúky ju tkajú v rôznych veľkostiach a vyhotoveniach v závislosti od druhu, ako aj spôsobu jej použitia. Každá pavúčia sieť však musí spĺňať viac-menej tie isté vysoké nároky. Jej úlohou je totiž nielen zachytiť chutnú potravu (nezriedka značne veľkú a rýchlo letiacu), ale následne aj zabrániť jej úniku a popritom všetkom sa ešte nepotrhať. Zároveň musí sieť čo najviac odolať dlhotrvajúcemu suchu, silnému dažďu alebo prudkému vetru.
To všetko (a ešte omnoho viac) je schopné zabezpečiť pavúčie vlákno. Napriek svojej ľahkosti je takmer neprekonateľné vo svojej elasticite a pevnosti zároveň. Dokáže sa natiahnuť až na trojnásobok svojej pôvodnej dĺžky bez toho, aby sa pretrhlo, čím prekonáva rovnako hrubé oceľové vlákno asi päťnásobne a nylon dokonca tridsaťkrát! Nakoniec aj tá obdivuhodná schopnosť pavúčej siete, účinne a bez poškodenia absorbovať kinetickú energiu nárazu letiacej koristi, tkvie práve vo výnimočnej pružnosti materiálu, z ktorého je utkaná.
Pavúčie vlákno sa však dokáže nielen extrémne natiahnuť, ale naopak aj poriadne scvrknúť, a to až na polovicu svojej pôvodnej dĺžky. Deje sa tak vtedy, keď sa dostane do priameho kontaktu s vodou, pričom však vlákno je samo osebe nezmáčavé a vodu účinne odpudzuje. Sieť tak zostáva stále napnutá a plne funkčná aj vo vlhkom prostredí, napríklad počas rannej rosy alebo po výdatnom daždi. Ale ako to ten pavúk vlastne robí?
.supervlákno
Pavúčie vlákno sa skladá z makromolekúl proteínov, ktoré sú pospájané do dlhých špirálových reťazcov. Tie sú v istých úsekoch ešte medzi sebou vzájomne prepojené, čím získava hotové vlákno na obdivuhodnej pevnosti. Na iných miestach sú, naopak, bielkovinové reťazce voľné, čo mu zas zabezpečuje extrémnu pružnosť. A práve striedanie „tvrdších“ a „mäkkších“ častí proteínových štruktúr je tajomstvom unikátnej kombinácie pevnosti a pružnosti pavúčieho vlákna.
Skôr, než sa z kvapalných bielkovín stane tuhé vlákno, uskladňuje ich pavúk vo forme vysoko koncentrovaného roztoku v špeciálnom zásobníku v podbrušku. Keď nadíde ten správny čas na tkanie siete, pavúk začne vytláčať tekutú zmes proteínov z vnútornej pavučinovej žľazy systémom úzkych kanálikov až do snovacích bradaviek na vonkajšom povrchu bruška. Počas tohto procesu dochádza k zvýšeniu kyslosti bielkovinového roztoku a pôvodne kvapalné proteíny začínajú tuhnúť na polotekutú hmotu, ktorá sa vzápätí premení na pevné, ale elastické vlákno. Pavúk ho následne vypúšťa cez malé otvory von a ešte ho vyčesáva špeciálnym „hrebienkom“ na zadných končatinách. Čím rýchlejšie a intenzívnejšie je vlákno tkané, tým je silnejšie. Výsledné mechanické vlastnosti pavúčieho vlákna sú tak dané nielen jeho chemickým zložením, ale aj spôsobom „tuhnutia“ a finálneho tkania.
.biomateriál
Okrem skvelých mechanických parametrov vykazuje tento výnimočný biomateriál aj veľmi užitočné biologické vlastnosti. Bolo by teda neodpustiteľným hriechom nevyužiť ich na humánne účely, povedzme, v medicíne. A tak sa už v starovekom Grécku pavučiny prikladali na otvorené povrchové rany na zastavenie krvácania a zabránenie infekcii. Veľkým problémom však dodnes zostáva (ne)dostupnosť potrebného množstva pavúčieho vlákna na masové využitie. Pavúky totiž nie sú sociálne živočíchy, vzájomne sa napádajú a je nemožné ich spolu chovať vo veľkom počte.
V tom sa líšia od lariev priadky morušovej, ktoré sú, navyše, oveľa usilovnejšími tkáčmi vzácneho biovlákna. V súčasnosti sa sterilné chirurgické tkaniny, vyrobené z hodvábneho vlákna, využívajú najmä v plastickej a rekonštrukčnej chirurgii. Majú totiž vynikajúce krycie vlastnosti a dobre odolávajú infekciám. Vlákno priadky morušovej je však predsa len mechanicky menej odolné ako pavúčie, a tak sú jeho medicínske aplikácie obmedzené. A hoci ho ľudský organizmus výborne toleruje, hodváb nie je prirodzene vstrebateľný.
Pavúčie vlákno však áno a navyše je plne biokompatibilné. Nuž, a práve táto jeho vlastnosť je kľúčová pri implantátoch. Proteíny pavúčieho vlákna nevyvolávajú v ľudskom organizme zápal ani neželanú imunitnú reakciu, takže materiály z neho vyrobené naše telo neodvrhne ako čosi cudzie. Tento biomedicínsky koncept má už za sebou aj prvú praktickú aplikáciu. Britská firma Orthox vyvinula materiál na báze pavúčieho vlákna s názvom Spidrex, ktorý dokáže účinne regenerovať poškodenú ľudskú chrupavku a kostné tkanivo. Je teda vcelku pravdepodobné, že v budúcnosti budú ľudské telá štandardne chirurgicky „opravované“ pevnými a zároveň pružnými chrupavkami, šľachami, kosťami alebo kĺbmi, vyrobenými z pavúčieho vlákna.
.spiderman
Pavúčie vlákno však bude môcť zachrániť ľudský život aj inak. Vďaka Hollywoodu dnes už hádam všetci vieme, že sila a výdrž Spidermana sa začína aj končí jeho priliehavým elastickým oblekom. Kým ho má náš neohrozený hrdina na sebe, je prakticky neprekonateľný, len čo ho však vyzlečie, je s ním veru zle-nedobre. Vskutku jednoduchý filmový koncept, nad ktorým sa akurát pousmejeme a vnímame ho ako infantilnú fikciu.
To sa však už v blízkej budúcnosti môže zmeniť na celkom tvrdú realitu. A to doslova. Vojenský výskum (ako inak) totiž pracuje na vývoji novej generácie nepriestrelných viest vyrobených práve z pavúčieho vlákna. Budú podstatne ľahšie a zároveň oveľa odolnejšie ako doposiaľ používané ochranné materiály na báze kevlaru alebo uhlíkových vlákien.
Ako nápad to znie dosť bizarne, inšpiráciou je tu však samotná príroda. Veď ak pavúčia sieť dokáže bez problémov zachytiť veľký a rýchlo letiaci hmyz bez toho, aby sa potrhala, bolo by v princípe možné zastaviť aj projektil vystrelený zo strelnej zbrane, a zasiahnutý človek tak vyviazne bez smrteľného telesného poškodenia. Dôkazom, že tu už nejde o žiadne sci-fi, ale priam horúcu súčasnosť, je biotechnológia kanadskej firmy Nexia. Jej „pavúčí“ produkt s názvom BioSteel vykazuje nielen skvelé materiálové vlastnosti, ale sa aj zaujímavým spôsobom komerčne vyrába.
Vložením konkrétneho pavúčieho génu do genómu kôz vytvorili vedci geneticky upravené prežúvavce, ktoré následne produkujú mlieko s obsahom proteínov pavúčieho vlákna. Tie sa z kozieho mlieka jednoduchým spôsobom izolujú a dajú sa potom použiť na jeho výrobu. (Mimochodom, podobnou transgénovou technológiou sa z kravského mlieka vyrába látka pre hemofilikov, ktorá je nevyhnutná na zrážanie krvi).
Napriek všetkému sa však takto vyrobené „pavúčie“ vlákno ešte stále líši svojou štruktúrou aj vlastnosťami od prírodného originálu. Dodnes totiž nevieme dostatočne presne napodobniť nielen biochemickú produkciu vlákna, ale ani mechanický spôsob jeho tkania, čo sú faktory priamo ovplyvňujúce kľúčové vlastnosti tohto fascinujúceho biomateriálu. Nuž, koruna tvorstva sa má od pavúkov ešte veľa čo učiť.
Autor je chemik.
Pavúky ju tkajú v rôznych veľkostiach a vyhotoveniach v závislosti od druhu, ako aj spôsobu jej použitia. Každá pavúčia sieť však musí spĺňať viac-menej tie isté vysoké nároky. Jej úlohou je totiž nielen zachytiť chutnú potravu (nezriedka značne veľkú a rýchlo letiacu), ale následne aj zabrániť jej úniku a popritom všetkom sa ešte nepotrhať. Zároveň musí sieť čo najviac odolať dlhotrvajúcemu suchu, silnému dažďu alebo prudkému vetru.
To všetko (a ešte omnoho viac) je schopné zabezpečiť pavúčie vlákno. Napriek svojej ľahkosti je takmer neprekonateľné vo svojej elasticite a pevnosti zároveň. Dokáže sa natiahnuť až na trojnásobok svojej pôvodnej dĺžky bez toho, aby sa pretrhlo, čím prekonáva rovnako hrubé oceľové vlákno asi päťnásobne a nylon dokonca tridsaťkrát! Nakoniec aj tá obdivuhodná schopnosť pavúčej siete, účinne a bez poškodenia absorbovať kinetickú energiu nárazu letiacej koristi, tkvie práve vo výnimočnej pružnosti materiálu, z ktorého je utkaná.
Pavúčie vlákno sa však dokáže nielen extrémne natiahnuť, ale naopak aj poriadne scvrknúť, a to až na polovicu svojej pôvodnej dĺžky. Deje sa tak vtedy, keď sa dostane do priameho kontaktu s vodou, pričom však vlákno je samo osebe nezmáčavé a vodu účinne odpudzuje. Sieť tak zostáva stále napnutá a plne funkčná aj vo vlhkom prostredí, napríklad počas rannej rosy alebo po výdatnom daždi. Ale ako to ten pavúk vlastne robí?
.supervlákno
Pavúčie vlákno sa skladá z makromolekúl proteínov, ktoré sú pospájané do dlhých špirálových reťazcov. Tie sú v istých úsekoch ešte medzi sebou vzájomne prepojené, čím získava hotové vlákno na obdivuhodnej pevnosti. Na iných miestach sú, naopak, bielkovinové reťazce voľné, čo mu zas zabezpečuje extrémnu pružnosť. A práve striedanie „tvrdších“ a „mäkkších“ častí proteínových štruktúr je tajomstvom unikátnej kombinácie pevnosti a pružnosti pavúčieho vlákna.
Skôr, než sa z kvapalných bielkovín stane tuhé vlákno, uskladňuje ich pavúk vo forme vysoko koncentrovaného roztoku v špeciálnom zásobníku v podbrušku. Keď nadíde ten správny čas na tkanie siete, pavúk začne vytláčať tekutú zmes proteínov z vnútornej pavučinovej žľazy systémom úzkych kanálikov až do snovacích bradaviek na vonkajšom povrchu bruška. Počas tohto procesu dochádza k zvýšeniu kyslosti bielkovinového roztoku a pôvodne kvapalné proteíny začínajú tuhnúť na polotekutú hmotu, ktorá sa vzápätí premení na pevné, ale elastické vlákno. Pavúk ho následne vypúšťa cez malé otvory von a ešte ho vyčesáva špeciálnym „hrebienkom“ na zadných končatinách. Čím rýchlejšie a intenzívnejšie je vlákno tkané, tým je silnejšie. Výsledné mechanické vlastnosti pavúčieho vlákna sú tak dané nielen jeho chemickým zložením, ale aj spôsobom „tuhnutia“ a finálneho tkania.
.biomateriál
Okrem skvelých mechanických parametrov vykazuje tento výnimočný biomateriál aj veľmi užitočné biologické vlastnosti. Bolo by teda neodpustiteľným hriechom nevyužiť ich na humánne účely, povedzme, v medicíne. A tak sa už v starovekom Grécku pavučiny prikladali na otvorené povrchové rany na zastavenie krvácania a zabránenie infekcii. Veľkým problémom však dodnes zostáva (ne)dostupnosť potrebného množstva pavúčieho vlákna na masové využitie. Pavúky totiž nie sú sociálne živočíchy, vzájomne sa napádajú a je nemožné ich spolu chovať vo veľkom počte.
V tom sa líšia od lariev priadky morušovej, ktoré sú, navyše, oveľa usilovnejšími tkáčmi vzácneho biovlákna. V súčasnosti sa sterilné chirurgické tkaniny, vyrobené z hodvábneho vlákna, využívajú najmä v plastickej a rekonštrukčnej chirurgii. Majú totiž vynikajúce krycie vlastnosti a dobre odolávajú infekciám. Vlákno priadky morušovej je však predsa len mechanicky menej odolné ako pavúčie, a tak sú jeho medicínske aplikácie obmedzené. A hoci ho ľudský organizmus výborne toleruje, hodváb nie je prirodzene vstrebateľný.
Pavúčie vlákno však áno a navyše je plne biokompatibilné. Nuž, a práve táto jeho vlastnosť je kľúčová pri implantátoch. Proteíny pavúčieho vlákna nevyvolávajú v ľudskom organizme zápal ani neželanú imunitnú reakciu, takže materiály z neho vyrobené naše telo neodvrhne ako čosi cudzie. Tento biomedicínsky koncept má už za sebou aj prvú praktickú aplikáciu. Britská firma Orthox vyvinula materiál na báze pavúčieho vlákna s názvom Spidrex, ktorý dokáže účinne regenerovať poškodenú ľudskú chrupavku a kostné tkanivo. Je teda vcelku pravdepodobné, že v budúcnosti budú ľudské telá štandardne chirurgicky „opravované“ pevnými a zároveň pružnými chrupavkami, šľachami, kosťami alebo kĺbmi, vyrobenými z pavúčieho vlákna.
.spiderman
Pavúčie vlákno však bude môcť zachrániť ľudský život aj inak. Vďaka Hollywoodu dnes už hádam všetci vieme, že sila a výdrž Spidermana sa začína aj končí jeho priliehavým elastickým oblekom. Kým ho má náš neohrozený hrdina na sebe, je prakticky neprekonateľný, len čo ho však vyzlečie, je s ním veru zle-nedobre. Vskutku jednoduchý filmový koncept, nad ktorým sa akurát pousmejeme a vnímame ho ako infantilnú fikciu.
To sa však už v blízkej budúcnosti môže zmeniť na celkom tvrdú realitu. A to doslova. Vojenský výskum (ako inak) totiž pracuje na vývoji novej generácie nepriestrelných viest vyrobených práve z pavúčieho vlákna. Budú podstatne ľahšie a zároveň oveľa odolnejšie ako doposiaľ používané ochranné materiály na báze kevlaru alebo uhlíkových vlákien.
Ako nápad to znie dosť bizarne, inšpiráciou je tu však samotná príroda. Veď ak pavúčia sieť dokáže bez problémov zachytiť veľký a rýchlo letiaci hmyz bez toho, aby sa potrhala, bolo by v princípe možné zastaviť aj projektil vystrelený zo strelnej zbrane, a zasiahnutý človek tak vyviazne bez smrteľného telesného poškodenia. Dôkazom, že tu už nejde o žiadne sci-fi, ale priam horúcu súčasnosť, je biotechnológia kanadskej firmy Nexia. Jej „pavúčí“ produkt s názvom BioSteel vykazuje nielen skvelé materiálové vlastnosti, ale sa aj zaujímavým spôsobom komerčne vyrába.
Vložením konkrétneho pavúčieho génu do genómu kôz vytvorili vedci geneticky upravené prežúvavce, ktoré následne produkujú mlieko s obsahom proteínov pavúčieho vlákna. Tie sa z kozieho mlieka jednoduchým spôsobom izolujú a dajú sa potom použiť na jeho výrobu. (Mimochodom, podobnou transgénovou technológiou sa z kravského mlieka vyrába látka pre hemofilikov, ktorá je nevyhnutná na zrážanie krvi).
Napriek všetkému sa však takto vyrobené „pavúčie“ vlákno ešte stále líši svojou štruktúrou aj vlastnosťami od prírodného originálu. Dodnes totiž nevieme dostatočne presne napodobniť nielen biochemickú produkciu vlákna, ale ani mechanický spôsob jeho tkania, čo sú faktory priamo ovplyvňujúce kľúčové vlastnosti tohto fascinujúceho biomateriálu. Nuž, koruna tvorstva sa má od pavúkov ešte veľa čo učiť.
Autor je chemik.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.