Sợi tơ nhện và những ứng dụng

“Buồn trông con nhện giăng tơ.

 Nhện ơi! Nhện hỡi! Nhện chờ mối ai?”

(Cadao Viet Nam)

Theo thống kê sinh học trong số 40,000 loài nhện trên khắp thế giới thì phần lớn các loài nhện đều nhả tơ, đây là thứ sợi mỏng nhưng rất bền có thành phần là một dạng protein, được thải ra từ phần sau cùng của bụng con nhện. Mạng nhện được các loài nhện dùng nhiều mục đích khác nhau, tùy thuộc vào tập tính và cách sống, có loài sử dụng như một dây để leo trên vách hoặc làm tổ trong các hốc đá, tạo nơi giữ và gói mồi, giữ trứng và giữ tinh trùng. Sợi tơ của nhiều loài nhện có khả năng kết dính nên mạng nhện còn dùng để bẫy mồi. Khi nhện dệt lưới thành mạng để kiếm mồi cũng tốn nhiều công sức chúng, tùy thuộc vào loài nhện và loại mồi, chúng “dệt” một bẫy mồi với thời gian khác nhau, theo ước tính để hoàn thành một mạng nhện hoàn chỉnh của một con nhện chúng ta thấy ngoài vườn là không ít hơn 45 phút.

Thủy tổ nhện không giăng tơ

Chúng ta thường thấy nhiều kiểu mạng tơ nhện, nhưng thường là hình xoắn có các cạnh. Các chuyên gia nghiên cứu về lịch sử phát triển của loài nhện cho rằng từ nguyên thủy chất tơ được các loài nhện thường dùng làm kén để bảo vệ trứng. Nhiều loài nhện “dệt tơ” làm tổ dưới mặt đất hoặc dưới nước. Có loài còn dùng tơ nhện dùng làm công cụ dẫn đường, làm vũ khí để săn mồi nhưng không phải là làm mạng nhện.

Nhện đã “dệt” tơ 55 triệu năm trước

Loài nhện cổ đại đã tạo ra tơ nhện từ 55 triệu năm trước. Một khoa học gia thuộc Ðại Học Ohio State đã nhận xét sau khi tìm thấy cấu trúc tơ nhện trong cơ thể của một loài động vật thuộc lớp nhện hóa thạch. Hóa thạch cho thấy hoạt động làm tơ có lẽ đã tiến hóa một theo nhiều hướng khác nhau ở các giống nhện. Hóa thạch này được tìm thấy tại một hầm mỏ ở Ohio.

Nhiều loại tơ nhện

Một số loài nhện có thể có nhiều loại tơ, mỗi loại sử dụng vào một mục đích khác nhau. Ðối với loại mạng lưới nhện mà chúng thấy nhện làm tơ ở vườn thì cấu tạo gồm sợi tơ dây kéo và sợi tơ dính chủ yếu dùng để săn mồi. Nghiên cứu của đại học California, Riverside cho biết đây là sự kết hợp của hai loại sợi tơ nhện giúp cho mục đích bắt mồi. Khi côn trùng vào mạng nhện, sợi tơ dính sẽ làm giảm tác động và giữ chặt con mồi, lúc này sợi tơ kéo làm giảm lực tác động và giữ cho tấm lưới không bị rách. Sợi tơ kéo mà loài nhện Nephila clavipes cái căng ra có thể hấp thu lực tác động tốt hơn cả một loại sợi bảo vệ dùng để chế tạo quần áo chống lửa và chống đạn.

Với việc giải mã thành công các gene liên quan tới tơ nhện, giới khoa học hy vọng có thể sản xuất được loại vật liệu này mà không cần những con nhện thực sự.

Nhện dệt lưới có màu sắc để làm gì?

Chúng ta có thể dễ gặp dạng tơ nhện có nhiều màu sắc. Cũng theo nghiên cứu của đại học California, Berkeley cho thấy nhện đã tạo mạng tơ nhện bằng những đoạn tơ nhiều màu sắc óng ánh dưới ánh sáng Mặt Trời, được gọi là stabilimenta. Dạng sợi tơ này có thể được kết mạng thành nhiều hình dáng khác nhau và được thay đổi thường xuyên. Khi săn mồi, nhện sẽ nằm rình ở giữa mạng bay và chờ mồi.

Ở loài nhện Argiope Châu Mỹ, kết quả nghiên cứu cho thấy mạng nhện nhiều màu sắc thì bắt được ít mồi hơn 30% so với những chiếc lưới không màu.

Tuy nhiên, số nhện sống trong những chiếc lưới nhiều màu sắc lại ít bị kẻ thù của nhện ăn thịt hơn. Loài nhện Argiope có thể đã chấp nhận đánh đổi một phần thức ăn có thể kiếm được thêm để đổi lấy sự an toàn cho bản thân chúng. Những loài nhện khác cũng có khả năng bảo vệ cuộc sống như vậy.

Ðộ chắc và độ bền vô địch của tơ nhện

Về hình dáng, độ bền và chức năng hoạt động của mạng nhện có nhiều điều khiến các nhà khoa học công nghệ quan tâm. Nghiên cứu của Ðại Học Harvard và Viện Công Nghệ Massachusetts cho thấy sợi tơ của loài nhện Nephila clavipes, một loại nhện có thể dệt ra một mạng nhện rất chắc đến nỗi nó có thể bắt được những con chim nhỏ.

Ðộ bền của sợi tơ nhện là do cấu trúc hóa học tuy nhiên nhiều nghiên cứu còn cho thấy lí do làm cho tơ nhện bền và chắc còn do tiến trình sợi tơ được thải ra khỏi tuyến tạo thành sợi tơ của nhện, khi thải sợi tơ ra ngoài thì sợi dài mảnh và khô nhanh, mạng nhện được “dệt” rất mỏng và mềm vậy mà trở thành một loại vũ khí bắt mồi rất hiệu quả. Theo kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học, độ đàn hồi của mạng nhện lớn hơn một mạng lưới đan bằng thép.

Bí quyết để tạo ra tơ nhện chính là Polymer.

Các loại nhựa plastic, hoặc chất Kevlar (sử dụng trong áo khoác chống đạn Kevlar là nhãn hiệu thương mại được đăng ký sợi cho loại sợi nhân tạo para-aramid, rất bền vững và nhẹ. Kevlar được phát triển tại công ty Dupont vào năm 1965 bởi Stephanie Kwolek và Roberto Berendt, được thương mại hóa từ những năm đầu thập kỷ 70). Những protein mà chúng ta gặp trong tự nhiên là các dạng polymer tạo thành từ các amino acid cũng với những liên kết đặc biệt. Do có cấu hình khác nhau nên polymer có thể dẻo hoặc cứng, hòa tan được trong nước hoặc không hòa tan được, chịu được nhiệt, hóa chất và rất bền.

Dung dịch protein của sợi tơ nhện chứa 30 đến 40% là polymer phần còn lại là dung dịch nước lỏng. Tuyến sản xuất sợi tơ của nhện có khả năng tổng hợp các đại protein và khi tạo nên các sợi tơ protein nhỏ và mảnh ngoài tự nhiên thì những sợi này không kết dính trở lại.

Cấu trúc gì khiến tơ nhện lại kỳ diệu như vậy

Sợi tơ nhện là chất liệu rất bền, nghiên cứu của Viện Công Nghệ Massachusetts cho biết thành phần trong cấu trúc của tơ nhện gồm các protein và các amino acid. Nghiên cứu cho biết độ dai hay độ bền của mảnh tơ của nhện do có mặt các dạng amino acid trong các thớ sợi, sức mạnh của tơ kéo nằm ở amino acid tạo nên những protein bền chắc. Lực bền của sợi tơ nhện do cấu trúc không gian của các protein quyết định bao gồm nhiều mối liên kết yếu giữa các nguyên tử hydro cùng phối hợp với nhau để chịu đựng những tác động như sức căng và chịu tải. Cấu trúc này làm sợi tơ nhện tuy nhẹ nhưng khá vững chắc ngay cả khi liên kết hydro giữa các sợi tơ với nhau là rất yếu.

Nhờ nghiên cứu các nhà khoa học đã có những hiểu biết chính xác về trình tự sắp xếp của cấu trúc protein để làm tăng độ bền của vật liệu, kết quả này, trong tương lai sẽ giúp tạo ra những vật liệu mới tương tự cấu trúc của sợi tơ nhện và bền chắc.

Nhiều ứng dụng của sợi tơ nhện

Ngoài tính đàn hồi, tơ nhện thường được ca ngợi là bền hơn thép có cùng độ dày. Tiềm năng ứng dụng của sợi tơ nhện trong tương lai là rất lớn, có thể dùng chế tạo quần áo bảo vệ, áo chống đạn, dây, lưới đánh cá, túi khí chống va đập cho các phương tiện giao thông v.v...

Nghiên cứu tại Ðại Học Wyoming đã đánh giá sợi tơ nhện là loại sợi tự nhiên khỏe có thể giúp tái tạo hoặc phục hồi các dây chằng ở người. Hơn thế nữa sợi tơ nhện khi ở trong cơ thể hầu như không tạo ra những phản ứng miễn dịch và không bị ràng buộc bởi phản ứng đào thải của cơ thể. Dẫn tới nhiều nghiên cứu ứng dụng sợi tơ nhện trong y học như: Sợi tơ nhện có thể dùng để tái tạo dây chằng bị tổn thương ở đầu gối, dùng tơ nhện như một loại chỉ siêu mịn khâu những vết thương ở vùng dây thần kinh hay mắt.

Có thể sản xuất sợi tơ nhện nhân tạo được không

Loài nhện sống không thành xã hội như loài ong và kiến, một cách sống của chúng là chúng thường ăn thịt lẫn nhau, nên nuôi nhện để lấy sợi tơ là việc khó. Trong khi nhu cầu tơ nhện đang tăng lên thì vấn đề đang được các nhà khoa học nghiên cứu là làm sao có thể sản xuất được sợi tơ nhện nhân tạo dùng cho y học, công nghệ và khoa học quân sự, các nhà nghiên cứu đang hướng đến việc là đưa các gene sản xuất ra protein tơ nhện vào cơ thể của sinh vật khác, gọi là sinh vật biến đổi gene, nhưng trước hết phải thiết kế được đoạn gene phụ trách “sản xuất” những protein đặc trưng của tơ nhện, bước thứ hai có thể chuyển gene này vào vi sinh vật, cây trồng hay động vật. Ðây là “nhà máy sản xuất” ra protein tơ nhện. Những sinh vật biến đổi gene này trong nguồn gene mới có chứa đoạn gene cho phép cơ thể này tự sản xuất ra lượng protein đặc hiệu của tơ nhện. Bước tiếp theo khi con người đã biết cấu trúc của sợi tơ thì tiến trình “dệt” tơ nhện nhân tạo sẽ hiện thực được.

Nghiên cứu gần đây cho thấy, các khoa học gia đã phát hiện và lập được trình tự đoạn gene của 2 protein quan trọng nhất có trong những sợi tơ bền chắc của nhện góa đen (black widow) là loài nhện nhỏ nhưng rất độc đang hiện diện trong vùng. Chính những protein này tạo ra độ bền chắc của sợi tơ nhện. Phát hiện mới này sẽ mở ra một khả năng lớn cho việc sản xuất nhiều loại nguyên liệu mới dùng trong công nghiệp, quân sự, y học, thể thao, v.v.

Sợi tơ bền chắc của nhện black widow là loại tơ có chất lượng tốt hơn rất nhiều so với tơ của các giống nhện khác, vì nó có độ bền chắc và kéo giãn cao hơn.

Cùng với việc giải mã thành công các gene quan hệ với sản xuất protein của tơ nhện, chúng ta tin rằng có thể sản xuất được loại vật liệu tuyệt vời này bằng phương pháp nhân tạo.