Žmogus Voras biochemiko akimis arba Vorų šilkas: nuvertintas, nepanaudotas ir nepasiduodantis

Nuo šiol bloge pasirodys ir kitų autorių tekstai. Blogas padės jauniems rašytojams, patars autoriams ir pakritikuos temas, paredaguos mintį bei pasiūlys patobulinimus. Visi tekstai bus pateikiami kokybiškai, išsamiai, su nuorodomis ir iliustracijomis, kaip tapo įprasta trismegistos.lt bloge.

Kviečiu ir kitus jaunus žmonės prisidėti ir burtis į komandą. Šiandien pristatau naują komandos narį – jauną biochemiką Luką Vasionį. Jo tekstus surasite pagal žymę. Skanaus skaitymo.

Nevaldomas traukinys su 500 keleivių tuoj įkris 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 kelt klausimą vaikinai iš Lesterio universiteto ir nusprendė išnarplioti šį mini Gordijaus mazgą

Vorų šilko savybės filmuose ir realybėje

Žmogus voras išgelbėja traukinio keleivius sustabdydamas traukinį.
Žmogus voras išgelbėja traukinio keleivius sustabdydamas traukinį.

Prisiminkite, kada paskutinį kartą rankomis lietėte voratinklio giją? Jis toks plonas, tąsus, rodos, užtektų vos vaiko piršto, kad suplėšyt šią šilko giją. Kaip žmogus voras sustabdo traukinį? Visi matėme veiksmo filmų scenas, kur masyvus 5 000 tonų traukinys teškiasi į mašiną, iš kurios nieko nelieka.  Ar gali ta voro šilko gija sustabdyti traukinį? Sunkiai įsivaizduojate? Aš padėsiu. Pasitelkite visą vaizduotę ir pastorinkite prisimenamą šilko giją bent 100 000 kartų. Jus 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 gi būti vorų šilko Jungo modulis, kad šilkas, sugerdamas 300 000 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!

Vorai gamina šilką specialiuose liaukose.
Vorai gamina šilką specialiuose liaukose.

Biologas William K. Purves teigia, jog pats filmas neįtikėtinai nuvertina vorų šilko galimybes. Anot mokslininko, tam, kad sulaikyti traukinį, užtektų dar plonesnių šilko gijų! Be to, Nacionalinio Singapūro universiteto mokslininkas Xiang Wu priduria, jog pieštuko storio gija gali sustabdyti net skrendantį Boingą!

Įsivaizduoju skaitytoją krapštantį galvą: „Bet kaip čia taip gali būti? Juk namuose kabantys voratinkliai yra tokie silpni.“ Bet, ar atsižvelgiate į tai, koks naminių voratinklių gijų storis? Vaikystėje labai mėgdavau žiūrėti kovos menų filmus, kur kovos menų išminčiai vis pasakydavo po kokį moralą savo mokiniams (ir žiūrovams). Viena iš tokių moralizuojančių pasakėčių buvo apie šakelių palyginimą su žmonėmis: „Vieną šakelę sulaužyti yra taip lengva, kaip palaužti vieno žmogaus valią, tačiau sulaužyti visą jų kuokštą yra taip pat sunku, kaip palaužti tautos valią“ – sakė vienas iš kovos menų žynių.

 

Voratinkliai yra labai ploni ir lengvi.
Voratinkliai yra labai ploni ir lengvi.

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

Vorų šilkas prieš stipriausius – Kevlarą ir plieną

Išgirdus apie tokias savybes mums labai norisi palyginti jas su kitomis – vienomis tvirčiausių medžiagų, tokių kaip kevlaru (neperšaunamųjų liemenių pagrindinė medžiaga) arba plienu. 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. Bet, pažiūrėję į 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. Tai beveik tiek pat stiprus kaip plienas! Nors ir labiau tamposi nei plienas, vorų šilkas lengvai nepasiduoda. Nepamirškime, jog vorų šilkas yra 6-4 kartus lengvesnis nei plienas. Mums pastorinus šilko giją ir išlyginus bandinių masę – kovoje dėl atsparumo tempimui plienas nublanksta. Tokios pačios masės, bet storesnė šilko gija yra žymiai atsparesnė tempimui nei plienas.

Kevlaras - aromatinių angliavandenilių pagrindu sudarytas poliamidinis pluoštas, naudojamas apsaugoti nuo kulkų.
Kevlaras – aromatinių angliavandenilių pagrindu sudarytas poliamidinis pluoštas, naudojamas apsaugoti nuo kulkų.

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.

Vorų šilko charakteristikos geresnės nei kevlaro.
Vorų šilko charakteristikos geresnės nei kevlaro.

Patį atspariausią trūkiui šilką gamina voras Cerostris 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 9mm kulką.

Vieno stipriausio pasaulyje vorų šilko sandara.
Vieno stipriausio pasaulyje vorų šilko sandara.

Kaip teigė Nacionalinio Singapūro universiteto mokslininkas Xiang Wu: „Pieštuko storio gija gali sustabdyti skrendantį Boingą“. Kaip matome, nors vorų šilkas ir tamposi, jo nepaprastai mažas tankis leistų mums daryti audinius pranašesnius už „Kevlar“ liemenes arba plieninius lynus.

Mėlynai pažymėti regionai tai stambių amino rūgščių spiruoklė, kurie yra sutvirtinti geltonai pažymėtomis, mažomis amino rūgštimis.
Mėlynai pažymėti regionai tai stambių amino rūgščių spyruoklė, kuri yra sutvirtinta geltonai pažymėtomis, kompaktiškomis, tvirtomis amino rūgštimis

Pasmalsaukime. Kas vorų šilką padaro tokiu nuostabiu? Patys 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% 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 kaiptirozinas 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, tvirtomis ir kompaktiškomis amino rūgštimis, kurios neleidžia spyruoklei pilnai išsitempti ir nutrūkti. Toks lengvos tamprios spyruoklės ir tankių kietų įtvirtinimų derinys sukuria lengvą, elastingą, sunkiai suplėšomą medžiagą, kuri nesutrūkinėja net kai ją veikia didelės apkrovos.

Ateitis technologijos ir vorų šilkas 

Susimastykime. Tokios fantastiškos savybės kiekvienam versliam žmogui pažadintų „drugelius“ pilve. 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.

Plastikas teršia gamtą ir blogai yra.
Plastikas teršia gamtą ir blogai yra.

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. Kodėl esu tuom įsitikinęs? 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 9mm 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 fantastinis 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.

Genetiškai modifikuotas tabokas gamina vorų šilką.
Genetiškai modifikuotas tabokas gamina vorų šilką.

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. “Taigi ką čia sugalvojus” – svarstė mokslininkai.

„O kas, jeigu ožkos gamintų pieną su jame ištirpusiais vorų šilko baltymais?“ – pagalvojo Randy Lewis 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. Taida gautas šilko baltymų koncentratas sukietėja į giją, kai jis įšvirškiamas 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 %. Tai reiškia, jog iš maždaug 1 litro ožkos pieno išeina vos 2 metrai šilko. Be abejo, tai jau yra gera pradžia, tačiau Randy Lewis tikisi pakelti koncentraciją iki 10% 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 bio-organinių medžiagų, kuriai greitai ateis laikas pakeisti mūsų gyvenimus. Tyrimai su vorų šilku yra dar tik ankstyvoje stadijoje, ir masinės šilko gamybos per artimiausius 10 metų būtų naivu tikėtis. Tačiau 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 stipririasiąjį biopolimerą.

Parengė Lukas Vasionis

16 thoughts on “Žmogus Voras biochemiko akimis arba Vorų šilkas: nuvertintas, nepanaudotas ir nepasiduodantis”

  1. Puiku! Labai įdomus ir lengvai skaitėsi šis straipsnis. Prikibčiau nebent prie Jungo modulio sąvokos apibrėžimo aiškinimo. Labai daug kur naudojamas toks aiškinimas, kaip ir šiame straipsnyje, tačiau jis nėra visiškai teisingas. Dėl to, kad toks apibrėžimas išplaukia iš Huko dėsnio, kaip žinoma, šis dėsnis galioja tik mažoms deformacijoms (tampriosioms), o bet kokį kūną ištempus dvigubai prasideda plastinės deformacijos.

  2. Swifto “Guliverio kelionėse” įroniškai aprašyta Mokslų akademija, berods Laputos, kai vorus šėrė spalvotomis musėmis ir gaudavo dideliais kiekiais jau dažytą šilką. Taigi – naujiena, kuriai keli šimtmečiai. Dar ten pat buvo tiksliai aprašyti Marso palydovų charakteristikos (kad vienas prieš kitas pagal Marso sukimąsi) prieš šimtmečius iki juos atrandant iš žemės observatorijų. [Laputa – skraidanti sala, galinti pakilti vos ne į kosmosą.]

    1. Long before their discovery in 1877, Johannes Kepler speculated that since the Earth had one moon and Jupiter had four known in his time, Mars might have two moons since it orbits between Earth and Jupiter. In 1726 Jonathan Swift, probably influenced by this speculation, wrote in Gulliver’s Travels that the scientists of Laputa discovered “two lesser stars, or satellites, which revolve about Mars.”

  3. Šaunus straipsnis, džiugu matyti šaltinius. Tiks sunkiai suprantamas puslapio pavadinimo pasirinkimas ( tiek prasme, tiek gramatika), dėl ko šiek tiek ‘abydna’

  4. Tikrai lengvai skaitomas ir įdomus straipsnis. Mažas pastebėjimas, kad rašant gyvunų (šiuo atveju voro) rūšies pavadinimus, antras (rūšies) žodis rašomas iš mažosios raidės. Taigi turėtų būti Cerostris darwini. Sėkmės toliau rašant tokius įdomius straipsnius.

  5. O man skaitesi sunkiai, nes tekstas parasytas aiskai nelietuviskai. Vertalas is anglu kalbos kuriame daug issireiskimu nebudingu musu kalbai. Pvz.
    “voru silkas” – voratinklis, voratinklio gija, is giju suvytas siulas, ar virve.
    “įsivertinti, kokią jėgą galėjo sukurti filme apie Žmogaus Voro nuotykius važiuojantis masyvus, greitasis traukinys,” – griozdiska ir paini zodine konstrukcija. Kokia jega isvysto filme vaziuojantis greitasis traukinys kuri reikia sustabdyti.
    “atlaikyti tokius kiekius jėgos” – kas gi taip kalba? Atlaikyti jega.
    “kiek jėgos prireiks”, “daugiau jegos” – kokios jegos prireiks, didesnes jegos.
    “išsitemptų į du kartus ilgesnį ilgį” – issitemptu du kartus.

    ir t.t. tipiskas vos ne pazodinis vertimas tikriausiai is anglu kalbos kokiu pilna delfije, technologijos.lt ir kitur internete ir kuriuos galima priskirti tiesiog nusisnekejimams. Reiketu labiau pasistengti sulietuvinant teksta.

    1. Kalbos išsamumas – siektinas uždavinys. Tik štai dėl “vorų šilko” – “voratinklio”, Sigi, nesutinku – šilkas yra medžiaga, o tinklas (-tinklis) jau yra gaminys. O šiaip, straipsnio sąvokų esmė suprantama.

      1. Tai ir sakau, kad tai kas straipsny vadinama voru silku lietuvoje vadinama voratinkliu is kuriu kaip zaliavos paskui gamina virves. Nebent isigudrino ta siuleli is kurio voras voratinkli pina istraukti tiesiai jam is uzpakalio :), bet ir tuomet ne silkas, o gija, siulelis nes silkas yra labai konkreciai medziagai priskirtas pavadinimas. Geriau nepainioti.

    2. “kas gi taip kalba?” – ogi kokie 90% Lietuvos gyventojų 😀 Universitete kalbos kultūrą dėsto, geriausiu atveju, vieną pusmetį, o kai mokaisi visokias fizikas, sakinių struktūra tikrai nėra prioritetas. Taigi, give them some slack.

  6. Geras vertalas ar vertalų išranka (juk ne iš vieno straipsnio sukurpta), reikalingas. Sėkmės autoriui parenkant tokias apibendrintas aktualijas. Dėl stiliaus ar gramatikos netikslumų pilnai galima nuolaidžiauti.

  7. Gerb. Sergėjau, kur gi Jūs prašapote cieliems 4-iems mėnesiams??? Pažįstami nuramino, kad esat gyvas ir sveikas – reiškiatės facebook’e (pats juo nesinaudoju – esama priežąsties . .), tad reikštų, kad nepakeitėte gyvensenos it Diogenas lįsdamas statinėn (“bačkon” – kad nesupainiotumėte su “statika” :-)) . Žinia, nelikau visai be mokslo aktualijų, pvz.: “Konstantą 42” paskaitinėju . . ., tik Jūs puikiai papildydavote žinių srautą savo įžvalgomis. Laukiu sugrįžtančio!

  8. Atrodo juokingai maža? Pastorinkite šią giją iki 1mm ir ji išlaikys 5 kg.

    tokio storio paprasčiausias žvejybinis valas laiko kelis kart daugiau. Gal klaida?

Leave a Reply