Această poveste a fost povestită în mii de benzi desenate Marvel, sute de serii de desene animate și mai multe blockbusters de box-office despre Spider-Man și despre exploatările sale. Numai jocuri despre erou au fost create cel puțin cincizeci și, cel mai recent, premiera jocului „Spider-Man” din studioul Insomniac Games, publicat de Sony, care arată telespectatorilor viața atât a lui Spider-Man, cât și a lui Peter Parker.
Universul Marvel se bazează pe un spectacol fantezist. Într-o lume fantezistă, legile noastre fizice nu se aplică neapărat, astfel că abilitățile Spider-Man nu necesită dovezi științifice, deși se bazează pe știință și sunt o versiune exagerată a faptelor științifice reale. Conform povestirii, Peter Parker și-a dobândit puterile prin veninul unui păianjen iradiat. L-au înzestrat cu o agilitate și viteză supraumane, reacție și forță, iar în timp au dus la dezvoltarea unor abilități și mai impresionante, inclusiv viziune de noapte și parfum remarcabil.
Forța polimerilor
Principalul avantaj al Spider-Man, fără îndoială, a fost capacitatea de a elibera fire de pânze lipicioase și incredibil de durabile. Dacă ignorăm rezistența la aer și considerăm „lovitura” ca fiind strict verticală, atunci putem estima viteza firelor de păianjen: v = (2gh), adică v = (2 * 9,8 m / s2 * 100 m) = 44 m / s, sau aproximativ 160 km / h. Și deși aceasta este chiar mai mică decât viteza unui glonte sau cel puțin un sunet, energia necesară pentru aceasta nu poate să nu impresioneze. Este dificil să ne imaginăm cum ar putea obține corpul fără o sursă artificială suplimentară.
Dar puterea firelor Spider-Man este destul de „științifică”: pânza păianjenului este unul dintre cei mai puternici polimeri de pe planetă. Rezistența la tracțiune este de aproximativ 1000 MPa, iar în firul de cadru al păianjenilor Araneus diadematus ajunge la 2700 MPa. Un astfel de indicator depășește puterea celor mai bune grade de oțel cu conținut ridicat de carbon. Prin urmare, deja un cablu Spider-Man de 3 mm (care își ia puterea ca 1000 MPa) este capabil să reziste la o sarcină mai mare de 7000 N și să facă față unei sarcini care cântărește până la 720 kg - sau cu greutatea unei persoane normale chiar și cu accelerație puternică în cădere.
Pânza de păianjen este secretată de glande specializate din spatele abdomenului și același animal poate avea mai multe tipuri de glande care creează o pânză cu proprietăți diferite. În orice caz, în ceea ce privește compoziția chimică, aceasta este o proteină specială, foarte apropiată de proteina de mătase. Lanțurile sale sunt bogate în glicină (cel mai mic dintre aminoacizi, oferă flexibilitate catenelor polimerice) și serină (singurul aminoacid din organismele vii care conține sulf, care este capabil să formeze legături suplimentare care întăresc forma proteinei). Și secțiunile individuale ale proteinei conțin cantități excepțional de mari din al treilea aminoacid, alanina.
Video promotional:
S-ar părea, de ce avem nevoie de toate aceste detalii? Totuși, ei sunt cei care creează microstructura specială a proteinelor-păianjen-spidroine: regiunile alanine formează regiuni cristaline dens ambalate, iar regiunile glicinei - legături amorfe și elastice între ele. Uscând în aer, întreaga structură se întărește și formează un fir din care păianjenul țese părți ale pânzei sale. Acest proces este dificil, dar cu toate acestea sinteza web-ului este și mai dificilă. Păianjenii cheltuiesc atât de multe resurse pentru producerea spidroinelor încât deseori mănâncă fire vechi și deteriorate singure pentru a le reutiliza.
Web extraterestru
Încercările de a „îmblânzi” rețeaua și de a o pune în laborator și apoi la scară industrială nu s-au oprit de mai multe decenii. În acest timp, a fost posibil să se identifice și să se izoleze gena spidroină de păianjeni și să se transfere la alte organisme, astfel încât astăzi este posibil să se extragă un polimer proteic nu numai din viermi de mătase sau păianjeni special creți, ci și din bacteriile E. coli, plante modificate genetic de tutun și cartofi și chiar de la … laptele de capră sunt animale care poartă gena proteinei păianjen. Principala problemă tehnică în acest domeniu este, de fapt, țeserea firelor din această resursă valoroasă.
Păianjenii folosesc un sistem extrem de complex de glande de pânze de păianjen: spre deosebire de același lapte, din unghii și păr, acest material are nevoie de un proces de sinteză delicat, chiar și de bijuterii. Spidroina trebuie eliberată cu o viteză scăzută strict definită și împletită într-un anumit moment, fiind în stadiul necesar de întărire. Prin urmare, glandele unor păianjeni sunt extrem de complexe, conținând mai multe rezervoare separate pentru „maturizarea” secvențială a pânzei și formarea acesteia. Este greu chiar să-ți imaginezi cum Spider-Man l-ar putea țese cu o viteză de 150 km / h. Dar doar pentru a sintetiza spidroina omul viitorului va fi destul de capabil.
Nu, nimic ca genele nu este transmis cu mușcături, fie că este un animal obișnuit sau chiar un păianjen radioactiv. Chiar și radiația „indusă” în sine, care ar fi putut să persiste în mușcarea unui păianjen care a supraviețuit radiației dure, este puțin probabil să poată atinge un nivel care este serios pentru noi - decât dacă otrava sa nu constă în plutoniu pur. Iar „enzimele mutagene” i-ar fi dat cu greu lui Peter Parker superputerile necesare. Din câte știm, astfel de oameni nu există în natură: organismul nostru, dimpotrivă, luptă în mod constant împotriva mutațiilor aleatorii, iar armatele de proteine întregi sunt ocupate în mod constant „să repare” ADN-ul deteriorat. Suprimarea activității acestor proteine crește nivelul mutațiilor - dar, în acest caz, Peter Parker, cel mai probabil, ar muri pur și simplu din unul dintre cancere, care sunt pline de mutații aleatorii.
Cu greu, nu este posibil să obținem genele proteinelor spidroine de care avem nevoie. Pentru a face acest lucru, un anumit fragment de ADN nu trebuie să intre numai în corp, ci să evite și atacul sistemului imunitar, pătrundând în același timp membrana celulară, apoi membrana nucleară - și, în final, să se integreze în regiunea activă a unor cromozomi. Este greu de imaginat că acest lucru s-a întâmplat întâmplător - virușii au onorat această abilitate simplă de miliarde de ani și nenumărate generații. Prin urmare, este vorba despre viruși care pot da speranță că într-o zi știința îl va transforma pe voluntarul lui Parker în ceva ca un adevărat Spider-Man.
Energie și nanotehnologie
Într-adevăr, în 2010, când au fost obținute capre care produc lapte cu proteine din păianjen, oamenii de știință au folosit viruși modificați pentru a transfera genele. Incapabil să dăuneze celulei, ele au păstrat totuși capacitatea de a se atașa de ea și de a furniza un analog artificial al genei spidroinei din interior. Apropo, polimerul obținut în acest fel a fost țesut într-un material extrem de durabil, pe care Nexia Biotechnologies l-a promovat sub marca BioSteel, dar procesul de producție nu a fost niciodată adus la un cost și o scară justificată din punct de vedere economic, așa că astăzi compania a intrat în faliment. Dar ne-am distras.
Fragmentele de ADN necesare pentru sinteza spidroinei au fost introduse în capre în stadiul embrionilor unicelulari. Ulterior, aceste gene au fost găsite în toate celulele fiice ale organismului format, deși oamenii de știință le-au integrat în acea parte a genomului care era activă numai în celulele angajate în sinteza laptelui matern. Dacă vrem să-l transformăm pe Peter Parker în Spider-Man, va fi mult mai greu. În primul rând, gena țintă trebuie să apară în cromozomii unui organism adult, dintr-o dată într-o multitudine de celule formate în anumite zone ale pielii și oriunde se integrează în zona dorită.
În teorie, cele mai noi tehnologii, care trec acum prin diferite etape de studiu și teste de laborator, pot permite acest lucru, plus câteva idei care rămân o problemă a viitorului mai îndepărtat. În special, metoda CRISPR / Cas îmbunătățită promite integrarea precisă a genelor în regiunile dorite ale cromozomilor. Folosește un set special de enzime bacteriene și ARN pentru a face tăieri într-o catena ADN într-o anumită locație. Enzimele proprii ale celulelor se grăbesc imediat să repare această deteriorare artificială și să folosească primul „plasture” care vine - de obicei un fragment dintr-o genă pe care oamenii trebuie să fie introduși împreună cu proteinele Cas.
Retrovirusurile pot asigura transportul pentru livrarea întregului set de molecule, așa cum s-a făcut cu caprele. Iar nanotehnologia va face posibilă dotarea cochiliei particulelor virale cu elemente, de exemplu, care reacționează la un câmp magnetic, pentru a activa modificarea genelor strict în celulele necesare ale adultului Peter Parker. Este mai dificil să ne imaginăm cum din celulele pielii sale și, aparent, din glandele sudoripare și sebacee, ar fi posibilă obținerea glandelor arahnoide, aranjate mult mai complex și funcționând diferit. Dar metabolismul rămâne principala problemă.
La fel ca zborul păsărilor, veninul de șarpe sau creierul oamenilor, rețeaua este o adaptare uimitor de complexă, o adevărată capodoperă a evoluției care a asigurat succesul unui grup mare de animale. Dar creierul, zborul și sinteza toxinelor și a tecii sunt adaptări extrem de costisitoare pentru organism. Experimentele cu rude australiene de vipere au arătat că, după ce au fost mușcate, trebuie să își crească rata metabolică cu aproape 70% pentru a restabili treptat aprovizionarea cu otravă proteică. Cât de mult ar trebui să crească metabolismul unei persoane pentru ca el să sintetizeze sute de metri de funie groasă? De câtă mâncare are nevoie și cât de mare trebuie să fie caloriile? Se pare că toate aceste raționamente pun capăt viselor noastre de un adevărat Spider-Man.
În loc de cuvânt de cuvânt
Chiar dacă dorim doar să obținem o persoană care să sintetizeze încărcăturile puțin câte puțin, adăugând gena spidroină la Peter Parker nu va fi suficient. Aceleași observații sunt valabile și în cazul nostru. Va trebui să creștem glandele păianjenului în el, să îi oferim un metabolism crescut, ceea ce îi va oferi viteză suplimentară, agilitate și echilibru - și energie pentru sinteza webului. Este puțin probabil ca acest lucru să fie posibil în cadrul corpului nostru și este puțin probabil ca astfel de experimente să fie efectuate vreodată. Însă puterea polimerilor de pânză de păianjen va veni mai devreme sau mai târziu în serviciul nostru și vom primi un nou material uimitor pentru îmbrăcăminte grea și ușoară, cabluri, pentru medicină și optică complexă. Poate că astfel de produse nu vor arăta la fel de impresionante ca fantasticul Spider-Man, dar probabil nu vor salva vieți.
