Šis stāsts ir izstāstīts tūkstošiem Marvel komiksu, simtiem multfilmu sēriju un vairākos kases bloķētājos par Zirnekļcilvēku un viņa ekspluatāciju. Vienīgi spēles par varoni tika izveidotas vismaz piecdesmit, un pavisam nesen Sony publicēja spēles “Spider-Man” pirmizrādi no studijas Insomniac Games, kas skatītājiem parāda gan Zirnekļcilvēka, gan paša Pītera Pārkera dzīvi.
Marvel Universe pamatā ir fantāzijas izrāde. Fantāzijas pasaulē mūsu fizikas likumi nebūt nav piemērojami, tāpēc Zirnekļcilvēka spējām nav nepieciešami zinātniski pierādījumi, kaut arī tie ir balstīti uz zinātni un ir reālu zinātnisku faktu pārspīlēta versija. Pēc stāsta, Pīters Pārkers savas spējas ieguva ar apstarota zirnekļa inde. Viņi viņu apveltīja ar pārcilvēcīgu veiklību un ātrumu, reakciju un izturību, un laika gaitā noveda pie vēl iespaidīgāku spēju, tai skaitā nakts redzamības un brīnišķīgas smaržas, attīstības.
Polimēru izturība
Galvenā Spider-Man priekšrocība, bez šaubām, bija spēja atbrīvot lipīgo un neticami izturīgo zirnekļa tīklu pavedienus. Ja mēs ignorējam gaisa pretestību un uzskatām “šāvienu” par stingri vertikālu, tad mēs varam novērtēt zirnekļa pavedienu ātrumu: v = (2gh), tas ir, v = (2 * 9,8 m / s2 * 100 m) = 44 m / s, vai apmēram 160 km / h. Un, kaut arī tas ir pat mazāks par lodes ātrumu vai vismaz skaņu, tam nepieciešamā enerģija nevar atstāt iespaidu. Grūti iedomāties, kā ķermenis to varētu iegūt bez papildu mākslīga avota.
Bet Spider-Man pavedienu stiprums ir diezgan "zinātnisks": zirnekļa tīkls ir viens no spēcīgākajiem planētas polimēriem. Tās stiepes izturība ir aptuveni 1000 MPa, un Araneus diadematus zirnekļu rāmja pavedienā tā sasniedz 2700 MPa. Šāds indikators pārsniedz labāko oglekļa tērauda labāko kategoriju jaudu. Tāpēc jau 3 mm Zirnekļcilvēka kabelis (kura stiprums ir 1000 MPa) spēj izturēt slodzi, kas pārsniedz 7000 N, un tikt galā ar slodzi, kas sver līdz 720 kg - vai normāla cilvēka svaram pat ar spēcīgu paātrinājumu kritienā.
Arachnids web izdalās ar specializētiem dziedzeriem vēdera aizmugurē, un vienam un tam pašam dzīvniekam var būt vairāku veidu dziedzeri, kas veido tīmekli ar dažādām īpašībām. Bet jebkurā gadījumā ķīmiskā sastāva ziņā tas ir īpašs proteīns, kas ļoti tuvu zīda proteīnam. Tās ķēdēs ir daudz glicīna (mazākā no aminoskābēm, tas nodrošina elastību polimēra dzīslām) un serīna (vienīgā dzīvo organismu aminoskābe, kas satur sēru, kas spēj veidot papildu saites, kas stiprina olbaltumvielu formu). Un atsevišķās olbaltumvielu sadaļās ir ārkārtīgi liels trešās aminoskābes - alanīna - daudzums.
Reklāmas video:
Šķiet, kāpēc mums ir vajadzīgas visas šīs detaļas? Tomēr tieši viņi rada zirnekļa tīkla olbaltumvielu-spidroīnu īpašo mikrostruktūru: alanīna reģioni veido blīvi iesaiņotus kristāliskos reģionus, bet glicīna reģioni - amorfas, elastīgas saites starp tiem. Žāvējot gaisā, visa konstrukcija sacietē un veido pavedienu, no kura zirneklis auj sava tīkla daļas. Šis process ir grūts, bet tomēr tīmekļa sintēze ir vēl grūtāka. Zirnekļi iztērē tik daudz resursu spidroīnu ražošanai, ka viņi bieži paši ēd vecus un bojātus pavedienus, lai tos atkārtoti izmantotu.
Svešzemju tīmeklis
Mēģinājumi "pieradināt" tīmekli un iegūt to laboratorijā, un pēc tam rūpnieciskā mērogā daudzus gadu desmitus nav apstājušies. Šajā laikā bija iespējams identificēt un izolēt spidroīna gēnu no zirnekļiem un pārnest to uz citiem organismiem, tāpēc mūsdienās ir iespējams iegūt olbaltumvielu polimēru ne tikai no īpaši audzētiem zīdtārpiņiem vai zirnekļiem, bet arī no E. coli baktērijām, ģenētiski modificētiem tabakas un kartupeļu augiem un pat no … kazas piens ir dzīvnieki, kas pārnēsā zirnekļa olbaltumvielu gēnu. Galvenā tehniskā problēma šajā jomā faktiski ir diegu aušana no šī vērtīgā resursa.
Zirnekļi izmanto ārkārtīgi sarežģītu zirnekļa tīkla dziedzeru sistēmu: atšķirībā no tā paša piena, no nagiem un matiem, šim materiālam ir nepieciešams smalks, pat rotaslietu sintēzes process. Spidroin ir jāatlaiž ar stingri noteiktu ātrumu un noteiktā brīdī jāatsien, atrodoties vajadzīgajā sacietēšanas stadijā. Tāpēc dažu zirnekļu dziedzeri ir ārkārtīgi sarežģīti, saturot vairākus atsevišķus rezervuārus secīgai tīkla "nogatavināšanai" un tā veidošanai. Grūti pat iedomāties, kā Zirnekļcilvēks to varētu aust ar ātrumu 150 km / h. Bet tikai sintezēt spidroin nākotnes cilvēks būs diezgan spējīgs.
Nē, nekas līdzīgs gēniem netiek pārraidīts ar kodumiem, vai tas būtu parasts dzīvnieks vai pat radioaktīvs zirneklis. Pat pats "izraisītais" starojums, kas varētu saglabāties zirnekļa kodumā, kurš izdzīvoja no cieta starojuma, diez vai spēs sasniegt mums nopietnu līmeni - ja vien tā inde sastāvēja no tīra plutonija. Un "mutagēni fermenti" diez vai būtu devis Pēterim Pārkeram nepieciešamās lielvaras. Cik mēs zinām, šādi cilvēki dabā neeksistē: mūsu ķermenis, gluži pretēji, pastāvīgi cīnās pret nejaušām mutācijām, un veselas olbaltumvielu armijas pastāvīgi ir aizņemtas "salabot" bojāto DNS. Šo proteīnu darba nomākums palielina mutāciju līmeni - taču šajā gadījumā Pīters Pārkers, visticamāk, vienkārši mirtu no viena no vēža veidiem, kas ir pilns ar nejaušām mutācijām.
Diez vai ir iespējams iegūt spidroīna olbaltumvielu gēnus, kas mums nepieciešami ar kodumu. Lai to izdarītu, noteiktam DNS fragmentam ir ne tikai jāievada ķermenī, bet arī jāizvairās no imūnsistēmas uzbrukuma, vienlaikus iekļūstot šūnu membrānā, pēc tam kodola apvalkā - un, visbeidzot, jāintegrējas dažu hromosomu aktīvajā reģionā. Grūti iedomāties, ka tas notika nejauši - vīrusi ir pagodinājuši šo vienkāršo prasmi miljardiem gadu un neskaitāmas paaudzes. Tāpēc tieši vīrusi var dot cerību, ka kādu dienu zinātne pārvērtīs Pārkera brīvprātīgo par kaut ko līdzīgu īstam Zirnekļcilvēkam.
Enerģētika un nanotehnoloģijas
Patiešām, 2010. gadā, kad tika iegūtas kazas, kas ražo pienu ar zirnekļa tīkla proteīniem, zinātnieki izmantoja modificētus vīrusus, lai pārnestu gēnus. Nespējot kaitēt šūnai, viņi tomēr saglabāja spēju tai pieķerties un iekšpusē piegādāt spidroīna gēna mākslīgo analogu. Starp citu, šādā veidā iegūtais polimērs tika austi ārkārtīgi izturīgā materiālā, kuru Nexia Biotechnologies reklamēja ar preču zīmi BioSteel, taču ražošanas process nekad netika panākts ekonomiski pamatotās izmaksās un apjomā, tāpēc šodien uzņēmums ir bankrotējis. Bet mēs apjucis.
Spidroīna sintēzei nepieciešamie DNS fragmenti tika ievesti kazās vienšūnu embriju stadijā. Pēc tam šie gēni tika atrasti visās izveidotā organisma meitas šūnās, lai gan zinātnieki tos integrēja tajā genoma daļā, kas bija aktīva tikai šūnās, kuras nodarbojas ar mātes piena sintēzi. Ja mēs vēlamies pārvērst Pīteru Pārkeru par Zirnekļcilvēku, tas būs daudz grūtāk. Pirmkārt, mērķa gēnam jāparādās pieauguša organisma hromosomās, uzreiz daudzās formētās šūnās noteiktos ādas apgabalos un visur jāintegrējas vēlamajā apgabalā.
Teorētiski to var atļauties jaunākās tehnoloģijas, kuras tagad piedzīvo dažādus pētījumu un laboratorisko pārbaužu posmus, kā arī dažas idejas, kas paliek tālākās nākotnes jautājums. Īpaši uzlabotā CRISPR / Cas metode sola precīzu gēnu integrāciju vēlamajos hromosomu reģionos. Tas izmanto īpašu baktēriju enzīmu un RNS komplektu, lai veiktu griezumus DNS virknē noteiktā vietā. Pašas šūnas fermenti nekavējoties steidzas labot šo mākslīgo bojājumu un izmanto pirmo “plāksteri”, kas nāk līdzi - parasti ir tāda gēna fragments, kas cilvēkiem jāievada kopā ar Cas olbaltumvielām.
Retrovīrusi var nodrošināt transportu visa molekulu komplekta piegādei, kā tas ir darīts ar kazām. Un nanotehnoloģijas ļaus vīrusu daļiņu čaumalas aprīkot ar elementiem, piemēram, reaģējot uz magnētisko lauku, lai stingri aktivizētu gēna modifikāciju pieaugušā Pītera Pārkera nepieciešamajās šūnās. Grūtāk ir iedomāties, kā no viņa ādas šūnām un acīmredzot no sviedru un tauku dziedzeriem būtu iespējams iegūt arahnoidālos dziedzerus, kas sakārtoti daudz sarežģītāk un darbojas savādāk. Bet galvenā problēma joprojām ir metabolisms.
Tāpat kā putnu lidojums, čūsku inde vai cilvēku smadzenes, tīmeklis ir pārsteidzoši sarežģīts pielāgojums, īsts evolūcijas šedevrs, kas ir nodrošinājis lielas dzīvnieku grupas panākumus. Bet smadzenes un lidojums, kā arī toksīnu un zirnekļu sintēze ir adaptācija, kas ķermenim ir ārkārtīgi dārga. Eksperimenti ar Austrālijas viperu radiniekiem parādīja, ka pēc sakodiena viņiem jāpalielina vielmaiņas ātrums par gandrīz 70%, lai pakāpeniski atjaunotu olbaltumvielu inde piegādi. Cik daudz vajadzētu palielināt cilvēka metabolismu, lai viņš sintezētu simtiem metru biezu tīkla virvi? Cik daudz pārtikas viņam vajag un cik daudz kaloriju tai vajadzētu būt? Liekas, ka visi šie apsvērumi izbeidz mūsu sapņus par īstu Zirnekļcilvēku.
Pēcvārda vietā
Pat ja mēs vēlamies iegūt tikai tādu cilvēku, kurš pamazām var sintezēt zirnekļtīklus, ar spidroin gēna pievienošanu Pēterim Pārkeram nepietiks. Tādas pašas piezīmes ir arī mūsu gadījumā. Mums viņā būs jāaudzē zirnekļa dziedzeri, jānodrošina viņam pastiprināta vielmaiņa, kas viņam sniegs papildu ātrumu, veiklību un līdzsvaru - un enerģiju tīmekļa sintēzei. Maz ticams, ka tas ir iespējams mūsu ķermeņa ietvaros, un maz ticams, ka šādi eksperimenti kādreiz tiks veikti. Bet pats zirnekļa tīkla polimēru spēks agrāk vai vēlāk nonāks mūsu pakalpojumā, un mēs iegūsim jaunu pārsteidzošu materiālu lieljaudas un vieglam apģērbam, kabeļiem, medicīnai un izsmalcinātai optikai. Varbūt šādi produkti neizskatīsies tik iespaidīgi kā fantastiskais Zirnekļcilvēks, taču tie, iespējams, glābs dzīvības ne mazāk.