Spinnenseide ist seit langem als das unglaublich haltbarste Naturmaterial bekannt. Es gibt sogar Spinnenarten, deren Seide fünfmal stärker ist als Stahl, wie beispielsweise die Braune Spinne Loxosceles reclusa. Wir müssen uns aber auch fragen, warum Spinnenseide so zerbrechlich aussieht, aber dennoch so stark ist. Auch diese Frage bereitet Wissenschaftlern Kopfzerbrechen, und kürzlich haben sie die Antwort gefunden.
Spinnenseide ist sehr stark, sogar stärker als Stahldraht.
Spinnenseide hat eine einzigartige Struktur
Spinnenseide ist eine Proteinfaser, die Spinnen produzieren und spinnen. Sie verwenden Seide, um Netze zu bauen, mit denen sie Beute fangen oder ihre Eier und Spinnenbabys schützen. Die starke Struktur dieser Seidenfäden ermöglicht es Spinnen, Beutetiere zu fangen, die um ein Vielfaches größer sind als sie selbst.
Kürzlich untersuchten Forscher der Fakultät für angewandte Wissenschaften des College of William and Mary (USA) mithilfe der Rasterkraftmikroskopie die Mikrostruktur von Seidenfasern, die Braune Einsiedlerspinnen zum Schutz ihrer Eier und zum Fangen von Beute herstellen. Sie entdeckten, dass jeder Spinnenseidenstrang, der dünner als ein menschliches Haar ist, tatsächlich aus Tausenden verschiedener Nanofasern besteht, die nur 20 nm im Durchmesser und etwa 1 μm lang sind.
Diese Nanofasern klingen vielleicht nicht lang, aber sie können sich auf mehr als das 50-fache ihrer ursprünglichen Größe dehnen. Diese Struktur macht Spinnenseide sehr robust und widerstandsfähig. Ihre Festigkeit und Haltbarkeit sind bis zu fünfmal größer als die eines Stahlstabs gleicher Größe.
Spinnenseide kann sich auf das 50-fache ihrer ursprünglichen Größe ausdehnen.
Zuvor hatten Wissenschaftler auf der ganzen Welt behauptet, Spinnenseide bestehe aus Nanofasern, doch bis zur Veröffentlichung dieser Entdeckung in der wissenschaftlichen Zeitschrift ACS Macro Letters (USA) gab es dafür keine stichhaltigen Beweise.
Der Grund hierfür liegt darin, dass die Seide der Braunen Einsiedlerspinne aus Nanofasern besteht, die in einem flachen Muster angeordnet sind und nicht in einem zylindrischen Muster wie bei den meisten anderen Spinnen. Dies erleichtert den Wissenschaftlern die Beobachtung mithilfe von Rasterkraftmikroskopen.
Dieses Ergebnis ergänzt die Forschung des Teams aus dem Jahr 2017 und zeigt, wie Braune Einsiedlerspinnen ihre Seidenfäden mithilfe einer speziellen Schlingentechnik verstärken. Die Braune Einsiedlerspinne ähnelt einer winzigen Nähmaschine und webt etwa 20 Nanofäden pro Millimeter Seide, die sie spinnt, um den Faden zu verstärken und zu verhindern, dass er reißt.
Um die Gesamtstruktur zu erhalten, wird ein Spinnenseidenfaden „geopfert“.
Mehrere Experten für Molekularmechanik haben die Netze verschiedener Spinnenarten untersucht, darunter die Europäische Gartenspinne Araneus diadematus und die Netzspinnen Nephila clavipes. Durch die Untersuchung von Seide auf molekularer Ebene konnten sie die Stärke von Spinnennetzen erklären.
Dr. Buehler erklärt, dass einzelne Stränge „geopfert“ werden können, um die Gesamtstruktur aufrechtzuerhalten. „Wenn an einem Seidenfaden gezogen wird, dehnt sich seine Molekularstruktur mit zunehmender Kraft, wodurch der Faden gedehnt wird“, sagte er.
Spinnenseide reißt nur, wenn sie ihre Gesamtstruktur beibehalten möchte.
Diese Veränderung erfolgt in vier Phasen: In der ersten Phase wird der gesamte Seidenfaden gedehnt; Anschließend folgt eine Entspannungsphase, in der sich die Proteine „entfalten“. In der dritten Phase durchläuft die Seide eine steife Phase, die die größte Aufprallkraft absorbiert. Den letzten Schritt vor dem Reißen des Seidenfadens vergleicht Buehler mit dem Abreißen eines Stücks Klebeband. Auch hier ist eine große Kraft erforderlich, um den Faden zu zerreißen, da die Proteine durch klebrige Wasserstoffbrücken zusammengehalten werden.
„Die Stärke eines Spinnennetzes hängt nicht nur von der Stärke des Seidenfadens ab, sondern auch davon, wie sich seine mechanischen Eigenschaften beim Ziehen verändern“, sagte Dr. Buehler.
Tuyet Anh (Quelle: Synthesis)
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