captcha

Jūsų klausimas priimtas

Žmogus Voras biochemiko akimis, arba Kodėl nereikia nuvertinti vorų šilko

Nevaldomas traukinys su 500 keleivių tuoj įlėks į upę. Stabdžiai užstrigę ir neveikia. Kas išgelbės keleivius? Staiga iš niekur pasirodo Žmogus Voras, iššauna šilko gijas priešais traukinį ir paskutinę minutę jį sustabdo. Kol Žmogus Voras džiaugiasi traukinio gražuolių kompanija ir herojaus šlove, šilko gijos sukuria neįtikėtinai tvirtos medžiagos įvaizdį. Rodos, čia filmo kūrėjai perlenkė lazdą. „Bet, o jeigu?“ – pradėjo kelti klausimą vaikinai iš Lesterio universiteto ir nusprendė išnarplioti šį mini Gordijaus mazgą.
Reuters/Scanpix nuotr.
Reuters/Scanpix nuotr.

Vorų šilko savybės filmuose ir realybėje

Prisiminkite, kada paskutinį kartą rankomis lietėte voratinklio giją? Jis toks plonas, tąsus, rodos, užtektų vos vaiko piršto, kad gija būtų suplėšyta. Kaip Žmogus Voras sustabdo traukinį?

Visi matėme veiksmo filmų scenas, kur masyvus 5 tūkst. tonų traukinys teškiasi į mašiną, iš kurios nieko nelieka. Ar gali ta voro šilko gija sustabdyti traukinį? Sunkiai įsivaizduojate?

Pasitelkite visą vaizduotę ir pastorinkite prisimenamą šilko giją bent 100 tūkst. kartų. Gausite šilko giją, rodomą „Žmogaus Voro“ filme. Vis dar sunku patikėti, kad vorų šilkas gali būt toks tvirtas? Nieko tokio. Tada pasitelkime mokslą ir panagrinėkime, ar tai iš tikro yra įmanoma.

Pirmas klausimas, kurį turėjo išspręsti Lesterio studentai – įsivertinti, kokią jėgą galėjo sukurti filme apie Žmogaus Voro nuotykius važiuojantis masyvus, greitasis traukinys, kurį sustabdė Žmogus Voras savo šilkinėmis gijomis. Kaip paaiškėjo, vorų šilko gijos filme turėjo atlaikyti 300 000 N (niutonų) jėgą. Palyginimui, žmogus vidutiniškai maistą sukanda 700 N jėga. Tačiau, kad ir kaip atrodytų iš pirmo žvilgsnio kvaila ieškoti nors menkiausios tikimybės, jog šilkas gali atlaikyti tokius kiekius jėgos, jauni mokslininkai toliau tęsė tyrimą.

Aiškindamiesi kokio tvirtumo turi būti šilkas, kad atlaikytų tokią monstrišką jėgą, jie pasitelkė fizikinį modelį ir aprašė šilką per Jungo modulį. Jungo modulis, matuojamas paskaliais (tempimo arba slėgimo jėga, tenkanti kvadratiniam metrui), parodo kiek jėgos prireiks, kad tempiama medžiaga pailgėtų dvigubai. Štai taip ištempiant padangų gumą prireiks daugiau jėgos nei ištempiant kramtomąją gumą, taigi padangų gumos Jungo modulis bus didesnis nei kramtomosios gumos.

Koks turi būti vorų šilko Jungo modulis, kad šilkas, sugerdamas 300 tūkst. N jėgą, išsitemptų tik du kartus? Anot skaičiavimų, Jungo modulis turėtų būt lygus 3 100 000 000 Pa arba 3.1 Gigapaskalių (GPa.  Palyginimui: atmosfera mus slegia tik 101 325 Pa jėga (0,101325 GPa). Negi tikrai tokie fantastiniai skaičiai realistiški? Pradėjus nagrinėti pačius stipriausius vorų šilkus, gautos Jungo modulių vertės šokiravo. Vorų šilkas Holivudo scenoje privalėjo turėti Jungo modulį apie 3,1 GPa. Tuo tarpu, ištirtų šilkų Jungo moduliai  svyravo tarp 1,5GPa – 12GPa! Skamba neįtikėtinai, tačiau stipriausias žemėje egzistuojantis vorų šilkas išsitemptų į du kartus ilgesnį ilgį sustabdydamas dar didesnį traukinį!

Biologas Williamas K. Purvess teigia, jog pats filmas neįtikėtinai nuvertina vorų šilko galimybes. Anot mokslininko, tam, kad sulaikytų traukinį, užtektų dar plonesnių šilko gijų! Be to, Nacionalinio Singapūro universiteto mokslininkas Xiangas Wu priduria, jog pieštuko storio gija gali sustabdyti net skrendantį „Boeing“.

Vorų šilkai yra labai ploni, apie 5 mikrometrų storio. Jie yra tris kartus plonesni nei žmogaus plaukas, taigi nenuostabu, kad galėjome susikurti silpnos medžiagos įvaizdį. Bet iš tikrųjų, esant palankioms biologinėms sąlygoms, 0.005mm storio ir 4cm ilgio gija, gali išlaikyti net 100 mg masę. Pastorinkite šią giją iki 1mm ir ji išlaikys 5 kg. Supinkite iš tokių gijų 2 cm giją ir ji išlaikys 2 tonas!

Vorų šilkas prieš stipriausius – Kevlarą ir plieną

Išgirdus apie tokias savybes,norisi palyginti jas su kitomis medžiagomis, tokiomis, kaip kevlaras (neperšaunamųjų liemenių pagrindinė medžiaga) arba plienas. Tikrinant medžiagų atsparumą smūgiams, atsižvelgiama į trejetą pagrindinių savybių: atsparumą trūkiui, atsparumą tempimui ir tankį.

Plieninį strypą įstačius į specialų įrenginį ir jį tempiant, galime pamatyti, jog jį paveikus su didele jėga yra matomas tik labai mažas, sunkus ir lėtas tempimasis. Nieko nuostabaus, plieno didelis atsparumas tempimui yra gerai žinomas. Tuo tarpu, tempiant šilko giją, matomas tolygus ir ilgas tempimasis visą laiką (šilko gija yra mažiau atspari tempimui).

Regis, plienas šioje kovoje su Lietuvoje gyvenančiais silpnais vorų šilkais laimi. Tačiau, palyginę jėgas, kurios buvo būtinos ištempti tiek plieną, tiek stipriausią vorų šilką, nustebsime. Vorų šilką ištempti sugebėjo net 1,3 GPa jėgą, sulyginama su plieninį strypą tempusia 1,6 GPa jėga. Nors ir labiau tamposi nei plienas, vorų šilkas lengvai nepasiduoda. Nepamirškime, jog vorų šilkas yra 6–4 kartus lengvesnis nei plienas. Pastorinus šilko giją ir išlyginus bandinių masę – kovoje dėl atsparumo tempimui plienas nublanksta. Tokios pačios masės, bet storesnė, šilko gija yra daug atsparesnė tempimui nei plienas.

Kitas svarbus parametras yra atsparumas trūkiui. Jis nuo ką tik aptarto parametro skiriasi tuo, jog šiuo atveju matuojamas jėgos kiekis norint neištempti, bet nutraukti plieno ar šilko giją. Šis dydis matuoja energijos kiekį, kuri tempiama medžiaga sugeria iki ji nutrūksta. Kitaip tariant, kiek džiaulių energijos reikia suteikti kubiniam metrui medžiagos (J/m3), kad ši suplyštų. Lyginant su kitomis medžiagomis kaip kevlaras ar plienas, šilkas jas irgi nugali.

Patį atspariausią trūkiui šilką gamina voras Caerostris Darwini, kurio atsparumas trūkiui siekia 520 J/cm3. Tokio šilko audinys gali sugerti 10 kartų daugiau energijos nei kevlaras, naudojamas neperšaunamų liemenių gamyboje. Tai reiškia, jog mažiau nei centimetro storio audinys galėtų sustabdyti 9 mm kulką.

Šilkai yra baltymų polimerai – stambios makromolekulės, sudarytos iš pasikartojančių mažų dalių – „statybinių blokų“. Vienoje 1996 metų analizėje buvo atskleista, jog šilkas yra grandinė, sudaryta iš mažų amino rūgščių – glicino ir alanino (šilko „statybiniai blokai“). Kadangi šios aminorūgštys yra paprasčiausios ir mažiausios, jos yra labai kompaktiškos ir susidėlioja į tankius kristalinius regionus. Šie kieti regionai užima tik 15 proc. viso šilko baltymo tūrio. Būdami tokie tankūs jie sutvirtina kitas šilko baltymo dalis ir neleidžia jam sutrūkinėti, kai baltymas yra veikiamas didelės jėgos. Kitos baltymo dalys yra sudarytos iš stambių aminorūgščių, tokių kaip tirozinas ar argininas, kurių stambumas „praplečia“ baltymą ir trukdo jam tapti tankesniu bei suteikia stebinančio elastingumo. Tokia stambių molekulių struktūra primena spyruoklę, kurios vijos yra tarpusavy surištos tankiomis amino rūgštimis, kurios neleidžia spyruoklei pilnai išsitempti ir nutrūkti. Toks lengvos tamprios spyruoklės ir tankių kietų įtvirtinimų derinys sukuria lengvą elastingą medžiagą, kuri nesutrūkinėja, net kai ją veikia didelės apkrovos.

Ateitis – technologijos ir vorų šilkas

Dirbtinį vorų šilką būtų galima panaudoti ne tik plieno pramonėje, plastikų pramonėje, elektronikoje, bet ir žmogaus organizme.

Plieninius lynus būtų galima pakeisti storesniais ir lengvesniais šilko lynais. Jais stabdytume automobilius ir traukinius, kuriems sugedo stabdžiai, ar naikintuvus, besileidžiančius ant lėktuvnešio! Jei nežinojote, dabar lėktuvnešiuose plieniniai lynai, kaip „ragatkės“ gumytė, padeda naikintuvams pakilti arba nusileisti.

Vorų šilkas leistų pakeisti nemažai plastikų, kurių išgavimas, kaip ir plieno, itin teršia gamtą. Šilkas taip pat yra laukiamas medicinoje, kadangi jis gali pakeisti kai kuriuos audinius žmogaus organizme ir pasižymi daug geresnėmis savybėmis nei dabartinės medicinoje naudojamos medžiagos.

Kaip jau išsiaiškinome, vorų šilkas, yra elastingas ir atsparus dilimui. Negana to, jis yra biologiškai „draugiškas“ – labai panašus į žmogaus audinius. Mūsų organizmas jį labai lengvai priimtų kaip „savą“, skirtingai dabartinius, sintetinius implantus. Štai, pavyzdžiui, sausgysles, kurios jungia mūsų kaulus su raumenimis, lengvai pakeistų dirbtinės vorų šilko sausgyslės. Taip pat vorų šilko pagalba būtų galima atauginti pažeistus ligamentus – audinius, kurie jungia kaulus su kitais kaulais.

Vorų šilkas taip pat yra laukiamas ir karo pramonėje, norint pakeisti „Kevlrar“ liemenes. Vieno tyrimo metu buvo sukurta „šilkinė oda“, sujungiant vorų šilką su oda. Toks audinys sustabdė 9 mm kulką be jokio įtrūkimo, ir, kaip teigia tyrimo autoriai, galimybės yra dar didesnės padidinant tokio audinio storį dešimt kartų.

Tačiau viskas būtų labai gerai, jei nebūtų „bet“. Visa ko problema yra pramoninė produkcija. Vorų šilką buvo bandoma išgauti įvairiausiais būdais. Pirmiausia, buvo bandoma auginti šilką vorų fermose, tačiau vorai yra kanibalai ir teritoriniai padarai, nemėgstantys kompanijos. Jei sumesim į patalpą daug vorų, jie pradės kovoti dėl teritorijos ir vieni kitus suvalgys, kol pagaliau atsilaisvins teritorijos likusiems keliems vorams. Ši problema, tiesa, nesutrukdė sukurti trijų metrų ilgio audinį. Žinoma, jei neminėsime to, jog tokiam audiniui sukurti prireikė maždaug 100 darbininkų ir 1 mln. vorų iš kurių šilkas buvo išgaunamas ištisus 4 metus. Vorų veisyklos tiesiog atkrenta dėl savo efektyvumo.

Kitas sprendimas yra įterpti šilko baltymus koduojantį geną, į kitą organizmą. Ar tai veiktų? Taip, ir tai šiuo metu yra bandoma laboratorijose. Šis genas buvo įterptas į bakterijų DNR, bet pasigaminantys baltymai yra labai dideli, todėl sunkiai praeina pro bakterijos membraną ir procesas vyksta lėtai. Teoriškai žvelgiant, būtų galima užveisti labai didelius kiekius bakterijų, taip kompensuojant lėtą baltymų išskyrimą. Bet yra antra problema – šiuo būdu pasigamina prastos kokybės polimeras.

Vorų šilko charakteristikos geresnės nei kevlaro.

Patį atspariausią trūkiui šilką gamina voras Caerostris Darwini, kurio atsparumas trūkiui siekia 520 J/cm3. Tokio šilko audinys gali sugerti 10 kartų daugiau energijos nei kevlaras, naudojamas neperšaunamų liemenių gamyboje. Tai reiškia, jog mažiau nei centimetro storio audinys galėtų sustabdyti 9 mm kulką.

Vieno stipriausio pasaulyje vorų šilko sandara.

Dar vienas bandymas buvo susijęs su genetiškai modifikuotais augalais, tokiais, kaip tabako lapai. Šiuo būdu baltymai yra išgaunami greitai ir pakankamai kokybiški, bet šiuo metodu gautą šilką yra sunku išgryninti.

„O kas, jeigu ožkos gamintų pieną su jame ištirpusiais vorų šilko baltymais“, – pagalvojo Randy Lewisas iš Jutos universiteto, JAV. Mokslininkas genetiškai modifikavo ožkas, įterpdamas į jas šilko geną iš vorų. Gautas pienas yra valomas ir filtruojamas nuo riebalų, vėliau šilko baltymai yra atskiriami nuo pieno baltymų. Tada gautas šilko baltymų koncentratas sukietėja į giją, kai jis įšvirkščiamas į specialius skysčius (pvz., heksafluorizopropanolį). Šis būdas yra palyginus efektyvus, kadangi ožkoje baltymas yra išskiriamas pro ląsteles, kurios yra sutvertos praleisti pro savo membraną stambias baltymų molekules, skirtingai nei bakterijų membranos. Vienintelė problema yra maža baltymų koncentracija – ji yra apie 1–2 proc. Tai reiškia, jog iš maždaug 1 litro ožkos pieno išeina vos 2 metrai šilko. Be abejo, tai jau yra gera pradžia, tačiau R. Lewisas tikisi pakelti koncentraciją iki 10 proc. ir galbūt tada bus galima planuoti pramoninį šio šilko išgavimą.

Kai į dėmesio centrą patenka voras, kai kurie mūsų išsigąsta, o kai kurie susižavi prisiminę filmų herojų. Tačiau kas galėjo pagalvoti, jog šis gamtos sutvėrimas milijonus metų pynė vieną tvirčiausių bioorganinių medžiagų, kuriai greitai ateis laikas pakeisti mūsų gyvenimus. Tyrimai su vorų šilku yra dar tik ankstyvoje stadijoje, masinės šilko gamybos per artimiausius 10 metų būtų naivu tikėtis. Atsižvelgiant į tyrimų pažangą ir tai, kad pasaulyje universitetai ir kompanijos aršiai varžosi dėl šio šilko išgavimo technologijos, būtų adekvatu tikėtis, kad dar šiame šimtmetyje atskleisime būdus išgauti stipriausiąjį biopolimerą.

Komentarai

Spausdami siųsti mygtuką sutinkate su Taisyklėmis ir atsakomybe

Mokslas ir IT

 

Susiję įrašai

 
Visi įrašai
Kraunasi ...
 
GrojaraštisIrašaiKeisti
Kraunasi ...
  
VartotojasPašalinti
Kraunasi ...