Warum ist Spinnenseide so stark? Alles dank diesem kleinen Trick der Spinne →

Standbilder aus dem Film Spider-Man 2

Vielleicht haben Sie schon einmal über die magische Spinnenseide gestaunt, die Peter Parker im Film „Spider-Man“ gedreht hat – sie kann einen außer Kontrolle geratenen Zug hochziehen, sich zu einem Schutznetz verweben, das härter ist als Stahl, und es Superhelden sogar ermöglichen, frei zwischen den Skylines von Städten zu schwingen.

In der Natur sind Spinnen definitiv unauffällige „Meister des Materials“. Sie verwenden feine, mit bloßem Auge nicht sichtbare Spinnenseide, um Netze zu weben, die robuster sind als kugelsichere Westen. Diese scheinbar zerbrechlichen Seidenfäden bergen Geheimnisse, die Wissenschaftler seit Jahrhunderten faszinieren.

Kürzlich hat ein Team der Northwestern University in den USA endlich den „Spinnenseidencode“ geknackt. Tatsächlich handelt es sich bei der Bewegung der Spinne, die beim Spinnen von Seide sanft mit ihren Hinterbeinen zieht, um eine präzise Schmiedearbeit auf molekularer Ebene.

Spinnen: Natürliche Meister des Faserdesigns

Spinnenseide ist eine filamentöse Substanz aus Spinnenseidenproteinen und Hilfsproteinen, die vom Spinnapparat am Ende des Hinterleibs der Spinne abgesondert werden. Es verfestigt und polymerisiert an der Luft und wird zum Weben von Netzen oder zum Bau anderer Strukturen verwendet.

Spinnenseide kann als Klebefalle zum Fangen von Beute verwendet werden, zum Verwickeln und Festhalten der Beute vor der Jagd der Spinne, zur Übermittlung taktiler Informationen oder als Nest oder Kokon zum Schutz des Nachwuchses.

Spinnen können Seide verwenden, um sich in großer Höhe abzustützen, durch die Luft zu schweben oder zu gleiten, um Raubtieren auszuweichen. Bei den meisten Spinnen variiert die Dicke und Klebrigkeit ihrer Seide je nach Verwendungszweck.

Wissenschaftler interessieren sich schon seit langem für die Untersuchung von Spinnenseide, da sie bemerkenswerte Eigenschaften besitzt: Sie ist stärker als Stahl mit gleichem Durchmesser, zäher als Kevlarfasern und elastisch wie Gummi. Es ist der „sechseckige Krieger“ der Materialwelt. Spinnenseide ist die stärkste organische Faser und ihre biologisch abbaubaren Eigenschaften machen sie zu einem idealen Material für medizinische Zwecke.

Sie könnten beispielsweise als chirurgisches Nahtmaterial oder Wundverschlusskleber verwendet werden, wobei sich diese Materialien anschließend auf natürliche Weise und ohne Schaden im Körper abbauen würden. Allerdings ist die Gewinnung natürlicher Spinnenseide durch die Zucht von Spinnen kostspielig, energieintensiv und schwierig durchzuführen. Daher ist die künstliche Synthese von Spinnenseidenmaterialien im Labor zu einem Forschungsschwerpunkt geworden.

Im Laufe der Jahre ist es Forschern gelungen, Mikroorganismen so zu verändern, dass sie Spinnenseidenproteine ​​produzieren. Durch manuelles Strecken künstlich hergestellter Spinnenseide konnten sie künstliche Fasern herstellen, die mit Spinnenseide vergleichbar sind. Obwohl wir das „Rezept“ der Spinnenseide kennen, bleibt es ein Rätsel, wie der Spinnprozess die Faserstruktur und -festigkeit verändert.

Verstärkungsmechanismus von Spinnenseide: Dehnungsinduzierte molekulare Ordnung

Simuliertes Diagramm einer gestreckten Seidenfaser

Das Forschungsteam der Northwestern University untersuchte mithilfe molekulardynamischer Simulationen, wie sich durch Dehnung die Reihenfolge der Proteine, die Verbindungen zwischen Proteinen und die Bewegung der Moleküle innerhalb der Fasern verändern. Die Studie ergab, dass die Dehnung der Hinterbeine der Spinne während des Spinnvorgangs die Proteine ​​im Wesentlichen „ausrichtet“ und so die Gesamtfestigkeit der Faser erhöht.

Sie fanden außerdem heraus, dass sich durch das Dehnen die Zahl der Wasserstoffbrücken erhöht, die als Brücken zwischen den Proteinketten fungieren, aus denen die Fasern bestehen, und so zur allgemeinen Festigkeit, Zähigkeit und Elastizität der Fasern beitragen. Im Vergleich zu frisch hergestellter Spinnenseide ist Spinnenseide, die auf das Sechsfache ihrer ursprünglichen Länge gedehnt wird, deutlich stärker.

Diese Forschung hat nicht nur den mechanischen Code der Spinnenseide geknackt, sondern auch die enorme Vitalität interdisziplinärer Forschung demonstriert. Von der Genomeditierung in der Molekularbiologie über Spinnprozesse in der Strömungsmechanik bis hin zur Leistungsoptimierung in der Materialwissenschaft hat die Integration von Wissen aus verschiedenen Bereichen zu revolutionären technologischen Durchbrüchen geführt.

Spinnenseide wird in Zukunft alle Bereiche unseres Lebens betreffen, von nahtlosen Nähten in Operationssälen bis hin zu leichten Baumaterialien für Stützpunkte auf dem Mars. Dieser von Spinnenspinnern gewonnene Seidenfaden webt eine robustere und nachhaltigere Zukunft.

Während wir die Leistungsfähigkeit der Spinnenseide bewundern, sollten wir auch über die natürliche Weisheit dahinter nachdenken. Spinnen sind keine Objekte, die darauf warten, nachgeahmt zu werden, sondern Mentoren, die Milliarden von Jahren in Zeit und Raum überbrücken. Was sich in ihren Spinnorganen dreht, ist nicht nur ein Seidenfaden, sondern eine Reihe von Überlebensstrategien, die durch die natürliche Selektion gemildert wurden: Sie nutzen die geringsten Ressourcen, um den größten Nutzen zu erzielen, und leben harmonisch mit dem Ökosystem zusammen, während sie gleichzeitig funktionale Bedürfnisse erfüllen. Dies ist das ultimative Ziel der menschlichen Ingenieurskunst.

Die Menschheit muss möglicherweise nicht über außerirdische Technologie oder Anti-Schwerkraftantriebe fantasieren. Die Codebasis, die das Leben auf der Erde über 3,8 Milliarden Jahre hinweg geschrieben hat, enthält unzählige technische Codes, die es zu entschlüsseln gilt. Wie die Spinnenseideforschung zeigt, beginnen die größten Innovationen oft mit der bescheidenen Beobachtung der Natur.

Quellen:

[1]https://scitechdaily.com/stärker-als-stahl-zäher-als-kevlar-spider-silks-secret-finally-revealed/

[2]https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250307144702.htm

[3]https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr3833

[4]https://en.wikipedia.org/wiki/Spider_silk

Zusammengestellt von: Yang Yuxin

Planung: Liu Ying, Zhang Chao, Li Peiyuan, Yang Liu

Gutachter: Wang Chuanqi, Direktor für Wissenschaft und Technologie des Nationalen Zoologischen Museums