Pajek. Za nekatere strah in trepet, za druge specialiteta, za tretje hišni ljubljenček, žival in tako dalje … Za znanstvenike pa pajki oziroma njihove pajčevine predstavljajo neprecenljivo vrednoto! Majcena svilnata pajkova nitka namreč tvori številne skrivnosti. Le-te pa bomo spoznali v današnjem članku. Uporaba same pajčevine in njena koristnost pa se ne nanaša samo na naše moderne čase, prepojene s sodobno znanostjo in napredno tehnologijo.
Sega že daleč, daleč v preteklost. Sama uporaba pajčevine se navaja že v starodavnih zapisih neke bitke, ki je potekala pred 800 leti, v kateri je Džingiskan uspešno osvojil večino Azije. Njegovi vojščaki so nosili bojno obleko, ki je bila oplemenitena z nitmi pajčevine in jih je zato bolje varovala pred sovražnikovim orožjem.
Super lastnosti pajčevine pa ni uporabljalo samo ljudstvo Džingiskana. Stari Grki so pajčevino uporabljali pri pripravi povojev. Tovrstno prakso so ustalili zaradi izjemnih medicinskih sposobnosti pajčevine. Lastnosti pajkove nitke namreč izboljšajo strjevanje krvi in ščitijo rane pred okužbami. Tudi v 19. stoletju so jo ljudje znali uporabljati. Takrat so jo največ uporabljali astronomi. S pajčevino so namreč prekrili leče svojih teleskopov. Tako so dobili odlično in zelo natančno merilo. Tovrstno rešitev so posnemali tudi med drugo svetovno vojno.
Pajčevino so uporabili za potrebe vojaške industrije. V takratni vojaški industriji so jo uporabljali za izdelavo križcev v teleskopskih vizirjih. Preden pa razkrijem, kako se da uporabiti pajčevino v današnjem času, bom predstavil sam nastanek pajčevine.
Kako nastane pajčevina?
Pajkova nitka je podobna svileni nitki in je sestavljena iz dveh različnih beljakovin. Te beljakovine izločajo posebne žleze, ki so nameščene v predilnih bradavicah, ki rastejo tudi na pajkovem zadku. Na začetku je pajkova nitka tekoča, saj ima konsistenco želatine in je tudi shranjena v drobnem mešičku. Ko pajek potrebuje pajčevino, iztisne to snov skozi majhne šobe v bradavicah. Ta snov, ki je pred tem tekoča, se na zraku strdi in tako nastane pajčevinasta nitka. Pajek takšno nit iz predilnih bradavic običajno povleče z zadnjimi nogami. Svojo mrežo lahko prede zelo hitro. Povprečna hitrost pletenja je 1 cm na sekundo, vendar pa lahko pajki to počno tudi do desetkrat hitreje.
Najhitreje pletejo mrežo tedaj, ko se z višine spuščajo proti tlom. Hitrost, s katero nastaja pajčevinasta nitka, ima izredno velik pomen v sami trdnosti niti in pajčevine. Pri trdnosti mreže so zelo pomembni tudi naslednji dejavniki: pH, vlažnost in temperatura zraka ter razne ostale snovi, ki jih pajek s pomočjo žlez doda niti v trenutku, ko se takšna nit strjuje. Ravno v ta namen imajo pajki 6 specializiranih žlez. S temi žlezami lahko proizvajajo tudi različne vrste pajčevin. Sestava pajčevinaste niti se tako razlikuje glede na nalogo, ki jo takšna nit nosi, na primer: osnovna ali podporna mreža, strukturna mreža ali nitka za pritrjevanje pajčevine na vejo in podobno.
Te različne vrste niti se med seboj tudi zelo razlikujejo. Najmočnejše in najmanj raztegljive so niti, ki tvorijo ogrodje pajkove mreže. Drugače pa je z nitmi, ki tvorijo spiralno površino same pajkove mreže. Le-te so do šestkrat bolj raztegljive od niti, ki tvorijo ogrodje mreže, hkrati pa so tudi štirikrat šibkejše.
Mišice iz pajkove mreže
Znanstveno je dokazano, da se pajčevina na vlažnem zraku krči. V deževnem vremenu so stebelca rastlin obtežena z vodnimi kapljicami. Če se pajčevina ne bi krčila, bi se raztrgala. Krči se s pomočjo vodnih molekul iz zraka. Ko vodne molekule vstopijo v pajčevino, razgradijo vodikove vezi. Vodikove vezi vzdržujejo veliko beljakovin. Ko so te beljakovine sproščene, lahko vzpostavijo novo obliko. Vlakna se namreč stisnejo in v takšnem procesu se dolžina posamezne niti prepolovi.
Profesor Todd Blacklege z ameriške univerze Akron v Ohiu je dokazal, da pri krčenju pajkove nitke nastaja sorazmerno velika sila. Profesor je to dokazal tako, da je na eno samo pajčevinasto nitko, debeline 0,006 mm, položil travno bilko. Nato je v nitko pihal suh ter vlažen zrak. Ob vsakem eksperimentu je izmeril samo raztezanje niti. Travna bilka, ki tehta veliko več kot tanka pajkova nitka, se je dvignila za 1 mm visoko. Tako je prišel do znanstvenega zaključka, da je pajčevina 50-krat učinkovitejša od človeških mišic.
Znanstveniki so dokazali, da lahko skupaj sodeluje tudi več pajkovih niti in na takšen način skupaj dvigne veliko težje breme. Cilj raziskav, da bi to znanstveno spoznanje uporabili pri izdelavi umetnih mišic iz pajčevine, ki bi jih po želji lahko tudi povečevali in zmanjševali ter se s tem načinom uporabe prilagajali dvigovanju različno težkih bremen.
Pajkova mreža kot izvor energije
Pajčevina je sestavljena iz beljakovin, ki tvorijo različne elemente s prav tako različnimi električnimi naboji. Le-ti so običajno v ravnovesju, saj so postavljeni v posebnem načinu. Ko pa se pajkove nitke stisnejo, pride do posebnega piezoelektričnega pojava. Pri tem pojavu se namreč sprosti šibak električni tok. Do tega pride ob stisku pajčevine zaradi premikanja električnih nabojev v pajčevini, na katere deluje zunanja sila.
Med biologi še ni znano, ali pajki izkoriščajo električne impulze v svoj prid ali ne. S prestrezanjem tovrstnih električnih sunkov bi lahko zaznali položaj plena, ki se je ujel v mrežo. Današnje znanstvene domneve kažejo na to, da bi to lahko počeli pajki iz rodu Arianda.
Znanstveniki so med preučevanjem pajčevine v te namene opazili, da pajčevina s svojim oddajanjem šibke elektrike ne izzove imunskega sistema organizma. Pojavila se je ideja, da bi iz pajčevine začeli izdelovati posebne senzorje, ki bi jih v zdravstvene namene lahko vgradili v organizem. Na to temo je bil opravljen tudi eksperiment, vendar je bil senzor, ki je bil vstavljen v prašiča, narejen iz kremena, ki ima iste piezoelektrične lastnosti.
Olive Murphy, raziskovalka na (Imperial College v Londonu), je letos razvila takšen senzor in ga uspešno vgradila v srce prašiča, je z njegovo pomočjo tudi uspešno prejemala informacije o spreminjanju krvnega tlaka prašiča. Zato trdi, da lahko enak senzor izdelamo tudi iz pajčevine.
Lahka in tanka neprebojna obleka iz pajčevine
Vemo, da so vlakna, ki tvorijo pajčevino, zelo odporna in močna. Mogoče jih je raztezati ali upogibati po mili volji. Tudi razni udarci se od pajkove niti odbijejo, ne da bi jo pri tem poškodovali. Za tovrstno lastnost v pajčevini poskrbi velik del zelo dolgih in popolnoma neurejenih beljakovinskih verig. Znanstveno dokazano je, da je pajkova nitka 10-krat bolj odporna kot zloglasni kevlar. (Kevlar je zelo močan material, iz njegovih vlaken pa so pleteni neprebojni jopiči in tetive za loke.)
Pajčevina namreč lahko vpije veliko energije in se deformira, ne da bi se pretrgala. Ravno zaradi tega dognanja želijo znanstveniki izkoristiti pajčevino za izdelavo neprebojnih jopičev. Pa poglejmo, kako jim je to uspelo. Neprebojni jopič iz pajkove mreže je bil enako učinkovit kot neprebojni jopič, narejen iz kevlarja, le da je bil veliko lažji in tanjši. Vendar pa so bili leta 2011 znanstveniki Univerze v Utahu še bolj napredni in domiselni. Projekta z izumom tankega neprebojnega jopiča so se lotili malce drugače. Izumili in izdelali so kar neprebojno kožo!
Najprej so gensko spremenili koze, da so v mleku proizvedle velikanske količine pajčevine. To pajčevino so pozneje zbrali in jo stkali v tanko tkanino. V tako pridobljeno blago so nato vcepili kožne celice in blago potopili v zelo hranljivo tekočino. To blago z živimi kožnimi celicami se je v šestih tednih razvilo v živo neprebojno kožo. Znanstveni testi so pokazali, da takšna koža zlahka ustavi naboj, ki ga izstrelimo iz lahkega strelnega orožja!
Pojdimo še v Anglijo, kjer so leta 2012 na Univerzi v Leicestru trije študentje prišli do zelo zanimivega izračuna. Dobljeni izračun je namreč razkril osupljive podatke – z dovolj veliko maso pajčevine bi lahko izdelali vlak, le-ta pa bi lahko vozil z nezmanjšano hitrostjo . Četudi bi bil poln potnikov, se pajčevina ne bi pretrgala. Podobne stvari so se zgodile tudi v filmu Spider Man 2, kar je dalo znanstvenikom veliko misliti in lotili so se dela.
Še Mozart ni imel tako dobrih violinskih strun
Japonci zelo dobro poznajo pojem natezna trdnost. Če preučimo pajkovo vrsto Nephila Clavipers in njihove mreže, dobimo fantastično spoznanje. Njihova mreža je kar trikrat bolj trdna od same trdnosti jekla! Skrivnost natezne trdnosti pajčevine te vrste pajkov omogočajo kristalom podobne strukture, ki so v določenih dolgih verigah beljakovin, ki sestavljajo pajkovo nitko.
Shigeyoshi Osaki, ki dela na japonski univerzi za medicino Nara, je začel z vzrejo več pajkov iz rodu Nephilia. Pajke je gojil, da je lahko zbiral niti za svoj eksperiment. Odločil se je namreč izdelati violinske strune iz pajčevine. Izdelal je 3 strune z naslednjimi toni: A, D in G. Na kakšen način so strune lahko razvile popoln zvok? V struno, ki je daje ton A, je Osaki vgradil 9000 pajkovih nitk, v struno, ki oddaja glas D, 12.000 in v struno, ki oddaja glas G, 15.000 pajkovih nitk. Omenjeni eksperiment mu je odlično uspel. Zvok njegovih strun iz pajčevine je bil violinistom tako zelo všeč, da so se v hipu ogreli zanj.
Osakijev eksperiment pa ni zanimal samo violinistov. Zanj so se ogreli tudi številni znanstveniki, ki upajo, da bodo iznašli način, kako bi iz pajkove nitke naredili razna padala, mreže in vrvi, ki bi bile zelo močne, zasedle bi malo prostora in bi bile še zelo lahke.
Super računalniki in pajčevina
Fotonski čipi, super kvantni računalniki, pajkova nitka, molekule beljakovin in mešanica tekočih kristalov v njih …
Pajčevino na zeleni podlagi rastlinja težko opazimo. Zelena svetloba iz ozadja se namreč lomi drugače kot pa svetlobe drugih valovnih dolžin. Pajčevina tudi odbija UV-svetlobo sončnih žarkov, zato jo denimo ptice lahko opazijo, medtem ko odboj takšne svetlobe zvabi mrčes v smrtonosno past.
Zakaj premore pajkova nitka takšno sposobnost loma in odboja pa tudi vodenja svetlobe? Kot sem že v tem članku večkrat napisal, je pajkova nitka zgrajena iz več prosojnih plasti beljakovin. Te beljakovine pa delujejo kot mešanica tekočih 3D kristalov. Molekule so razporejene popolnoma enakomerno. Tako razporejene molekule skupaj tvorijo neke vrste lečo, ki svetlobo odbija, lomi in vodi na čisto poseben način.
To lastnost pajčevine bi znanstveniki radi uporabili pri izdelavi čipov za računalnike prihodnosti. Da je to mogoče, je letos uspešno dokazala fizičarka Huby Nolwenn s francoskega inštituta za fiziko. V svojih fotonskih čipih je svetlobo vodila kar po pajkovi nitki, namesto da bi informacije po čipu pošiljali z električnem tokom, kot je v navadi običajno. Fotonski čip se namreč od klasičnega razlikuje v tem, da uporablja svetlobo, ki priteka vanj po posebnih kablih, sestavljenih iz steklenih vlaken. To je sistem, ki omogoča izredno hiter razvoj kvantnih računalnikov prihodnosti.
Zelo zanimiv in nadvse uporaben podatek je, da pajkova nitka lahko vodi svetlobo po fotonskemu čipu, ne da bi se ji pri tem zmanjšala moč, lahko pa spremeni tudi smer svetlobe. Vse te sposobnosti omogočajo odlično komunikacijo med posameznimi komponentami v čipu. Običajna steklena vlakna namreč niso uporabna v zavojnih poteh, medtem ko pajkova nitka vse to lahko omogoči. Pomembno je poudariti, da se svetloba pri tem ne izgublja.
Letos je bila iz pajkove nitke izdelana tudi posebna plazma, ki so jo vstavili v živ organizem. Plazma je omogočila natančen pregled mišičnega tkiva in celic globoko pod površjem. Na Univerzi Tufts pa je Fiorenzo Omenetto leta 2012 v miško vgradil posebno mikroplazmo, ki jo lansko leto dopolnil tako, da je s pomočjo svetlobe lahko neposredno na poškodovano tkivo doziral pravilne količine zdravila.
Vsega tega zagotovo nismo vedeli, ko smo brisali pajčevino v stanovanju ali ko smo gledali kakšno risanko ali znanstveno-fantastični film. Danes pa smo se veliko naučili o koristnosti pajkove nitke in tudi o tem, kako so jo že ljudstva iz davne preteklosti s pridom izkoriščala. Izkoriščamo pa jo tudi danes, ko iščemo vedno nove in nove rešitve za naše potrebe po modernem življenju.
Iz svojega dela z živalmi in proučevanjem njihovega življenja sem tudi sam prišel do zelo zanimivih spoznaj in rezultatov o veliki trdnosti in moči pajkove mreže. Opazil sem, da različne vrste pajkov pletejo različne in različno trdne mreže. Tudi namembnosti pletenja mrež se razlikujejo od vrste do vrste. Pri določenih vrstah pajkov se mreže trgajo hitro in neopazno, druge vrste pajkov pa imajo zelo trdne in debele nitke pajčevine, ki jih strgamo z večjo močjo in ob tem lahko tudi slišimo trganje in pokanje pajčevine.
Če pajčevino ometemo s palico in pustimo, da se nanjo nabere veliko pajčevine, vidimo, da na palici dobimo neuničljiv zapredek. Če hodimo po travniku ali gozdu ob rosi ali po dežju, opazimo, da so pajčevine veliko bolj trdne in močne, kot če sprehod ponovimo ob vročem in suhem popoldnevu. Spomnimo se, kaj sem o prisotnosti vlage v tem članku povedal o pajčevini in kako le-ta reagira na vlago.