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O Milagre Das Teias De Aranha

Eric Cassell | Evolution News

7 de dezembro de 2021, 6h30

Nota do editor: O texto a seguir é um trecho do livro recém-lançado, Animal Algorithms: Evolution and the Mysterious Origin of Ingenious Instincts , do Discovery Institute Press. Não perca o próximo webinário com Eric Cassell e Casey Luskin, quinta-feira, 9 de dezembro, das 4h às 17h30, horário do Pacífico. Cadastre-se aqui.

“O que há de milagroso na teia de aranha?” disse a Sra. Arable. “Não vejo por que você diz que a teia é um milagre – é apenas uma teia.”

“Já tentou tecer uma?” perguntou o Dr. Dorian.

EB WHITE, CHARLOTTE’S WEB

As aranhas são outro engenheiro mestre da natureza. Cerca de metade das espécies de aranhas conhecidas (ordem Araneae) constroem teias de seda. As aranhas podem fazer diferentes tipos de seda, dependendo de sua função. Por exemplo, a aranha-tecelã-de-orbe-dourada tem sete tipos de glândulas de seda, com seis fiandeiras. 1 Algumas são usadas para tecer teias, é claro, mas outros tipos são usadas para embrulhar presas e ovos. A seda pode ser mais forte do que o aço da mesma espessura, pode esticar mais do que a borracha e é mais pegajosa do que a maioria das fitas. 2 Os Goulds descrevem a seda como “facilmente o material de construção mais notável do planeta, e tem uma fonte: artrópodes”. 3 Apesar do grande esforço, os humanos ainda não produziram nada funcionalmente equivalente à seda. Por meio da engenharia genética, foram feitas tentativas de duplicá-lo, sem sucesso.

O principal desafio é replicar as moléculas de proteína sofisticadas e ricas em informações encontradas na seda produzida por aranhas e outros artrópodes produtores de seda, como o bicho-da-seda – proteínas que têm quase o dobro do tamanho da proteína humana média. 4

Proteínas menores não têm a força ou flexibilidade da seda da aranha. Dadas as tecnologias genéticas e de manufatura avançadas disponíveis hoje, é notável que a seda da aranha ainda não possa ser duplicada. Isso ilustra o quão avançado é o projeto de engenharia da seda de aranha.

Uma típica teia de aranha de jardim

As teias de orbe são os tipos mais comuns e familiares de teias de aranha. Uma típica teia de aranha de jardim é feita de 18 a 195 pés de seda.5

As teias consistem em “fios de fixação” pegajosos; “raios” radiais para segurar os fios pegajosos; “Pontes de fios” que agem como linhas de sustentação para segurar a teia; “Fios de sinalização” que informam a aranha por meio de vibrações sentidas nas patas que a presa está na teia; e “linha de reboque” para acessar a teia de sua casa. 6 As sedas empregadas nos diferentes usos são cada uma única, sendo construídas a partir de diferentes combinações de proteínas. Os tipos incluem “colante” para elasticidade, “zíper” para flexibilidade e “lego” para resistência. 7

A construção da teia é uma atividade objetiva e voltada para objetivos. Isso se torna particularmente óbvio quando se observa o processo em vídeos disponíveis na Internet. 8

Várias teias de aranha, mesmo entre aranhas da mesma espécie, estão longe de ser idênticas. A razão mais óbvia para as diferenças é que cada uma é feita sob medida para seu local específico. Como explicam os Goulds, “Cada conjunto de pontos de ancoragem iniciais é diferente; o número de raios depende da oportunidade; o início da espiral pegajosa depende de onde os raios mais longos ficam. Em suma, cada teia é uma produção personalizada. ” 9

Os Goulds postulam que as aranhas têm uma forma de capacidade de mapeamento que lhes permite implementar princípios gerais de design em uma ampla variedade de circunstâncias. Isso é demonstrado, por exemplo, por aranhas que consertam com sucesso teias danificadas.

Alçapões, coleiras e tubos

Outra fonte de diferença é a função. Quando pensamos em teias de aranha, tendemos a imaginar o tipo mais comumente encontrado – as teias em forma de rede espalhadas entre as árvores, vigas ou paredes do sótão. Mas existem vários outros tipos, incluindo aquelas que funcionam como alçapões para tocas de aranha, coleiras que se estendem das tocas e teias que funcionam como tubos na casca de árvore que também podem ter portas com dobradiças. 10

Mencionei tópicos de sinalização acima. Elas dizem a uma aranha que a presa está presente na teia, mas transmitem muito mais do que apenas isso. As aranhas são capazes de determinar o ângulo e a distância da presa do centro da teia. Elas são capazes de determinar a localização da presa usando a mesma técnica básica que usamos para determinar a localização da fonte do som.

Os humanos usam a diferença de intensidade do som recebido por nossos ouvidos para estimar a localização relativa. As aranhas fazem algo semelhante com base na intensidade das vibrações recebidas, no caso delas percebidas por oito pernas. 11 Obviamente, o algoritmo usado no processamento de informações de oito sensores é muito mais complicado do que apenas os dois sensores que os humanos possuem. E isso é apenas a metade. Experimentos demonstraram que as aranhas podem armazenar as coordenadas da localização de pelo menos três presas diferentes que ficam presas na teia. 12

Em busca de explicações evolutivas

Fornecer explicações evolutivas confiáveis para a origem da seda e do design da teia tem se mostrado problemático. Várias teorias foram propostas para a origem de ambas, mas nenhuma foi geralmente aceita. 13

O biólogo e especialista em aranhas William Shear admite que “uma explicação funcional para as origens da seda e do hábito de fiar pode ser impossível de se conseguir”. 14

Um fator complicador é que as teias de algumas aranhas aparentadas de maneira mais remota são quase idênticas. Shear escreve: “Parece provável que vários tipos de teia são o produto da evolução convergente – isto é, que a mesma teia evoluiu em espécies não relacionadas que se adaptaram a circunstâncias ambientais semelhantes”. 15

Mas, como argumentarei no capítulo 6, essa é uma explicação pouco convincente para a origem de comportamentos programados complexos.

Um desafio mais fundamental para aqueles que buscam fornecer uma explicação detalhada e causalmente confiável para a origem da seda e da arquitetura da teia de aranha é o número de genes envolvidos na produção da seda e os complexos genomas das aranhas. 16 Depois de décadas de tentativas fracassadas de fornecer uma explicação causalmente adequada, alguém pode ser perdoado por concluir que não temos nenhuma razão convincente para supor que um caminho evolutivo passo a passo para tal substrato rico em informações realmente exista. E, como discutiremos mais tarde, agora existem algumas razões positivas para considerar que tais sistemas ricos em informações têm como fonte algo diferente de um processo material puramente cego. Aqui, basta dizer que os comportamentos e funções associados à fiação da seda e da teia exibem muitas características da engenharia humana e de uma engenharia de uma ordem muito elevada.

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Notas

  1. Elizabeth Pennisi, “Untangling Spider Biology,” Science 358 (October 2017): 292.
  2. Barbara Taylor, Jen Green, and John Farndon, The Big Bug Book (London: Hermes House, 2007), 22.
  3. Gould and Gould, Animal Architects, 19.
  4. Robert Service notes that “mass-produced, superstrong fibers remain out of reach.” Robert F. Service, “Silken Promises,” Science 358, no. 6361 (October 2017): 293–294.
  5. Taylor, Green, and Farndon, The Big Bug Book, 24.
  6. Heinrich, The Homing Instinct, 183.
  7. Valerie Altounian, Elizabeth Pennisi, and Robert F. Service, “A Spinner’s Secrets,” Science 358 (October 2017): 292, https://doi.org/10.1126/science.358.6361.292.
  8. Two such videos are Deep Look’s “Is a Spider’s Web a Part of Its Mind?,” https://www.youtube.com/watch?v=rpwkgMX4IlQ; and BBC Earth’s “Beautiful Spider Web Build Time-Lapse,” https://www.youtube.com/watch?v=zNtSAQHNONo.
  9. Gould and Gould, Animal Architects, 52–53.
  10. William Shear, “Untangling the Evolution of the Web,” in Exploring Animal Behavior, eds. Sherman and Alcock, 149.
  11. Gould and Gould, Animal Architects, 50. The Goulds further explain, “The vibrations induced by struggling insects are transmitted along the slack and sticky spiral of catching threads to the taut radii, and thence to the center. The spider compares the strength of vibrations between radii to interpolate the angle of the prey from the center. In theory, the spider should simply rush out along the closest radius until it encounters the insect. However, when vibrations are induced experimentally, the spider nevertheless stops at about the right distance out from the center of the web.”
  12. Heinrich, The Homing Instinct, 50.
  13. Shear, “Untangling the Evolution of the Web,” 148–158.
  14. Shear, “Untangling the Evolution of the Web,” 151.
  15. Shear, “Untangling the Evolution of the Web,” 153–154.
  16. Pennisi, “Untangling Spider Biology,” 288–291

Imprimindo Teias De Plástico Para Proteger As Telas Dos Celulares Do Futuro

Pela Polytechnique Montréal | Phys Org

As teias de policarbonato sintetizadas usando manufatura aditiva absorvem até 96% da energia de impacto. Crédito: Shibo Zou

Uma equipe da Polytechnique Montréal demonstrou recentemente que um tecido projetado com manufatura aditiva absorve até 96% da energia de impacto – tudo sem quebrar. A revista Cell Reports Physical Science publicou recentemente um artigo com detalhes sobre essa inovação, que abre caminho para a criação de revestimentos plásticos inquebráveis.

O conceito e a pesquisa que o acompanha revelados no artigo são relativamente simples. Os professores Frédérick Gosselin e Daniel Therriault, do Departamento de Engenharia Mecânica da Politécnica de Montreal, junto com o estudante de doutorado Shibo Zou, queriam demonstrar como a teia de plástico pode ser incorporada a um painel de vidro para evitar que se estilhace com o impacto.

Parece um conceito bastante simples, mas uma reflexão mais aprofundada revela que não há nada simples nessa teia de plástico.

O design dos pesquisadores foi inspirado em teias de aranha e suas propriedades surpreendentes. “Uma teia de aranha pode resistir ao impacto de um inseto colidindo com ela, devido à sua capacidade de se deformar por meio de ligações de sacrifício no nível molecular, dentro das próprias proteínas da seda“, explica o professor Gosselin. “Fomos inspirados por esta propriedade em nossa abordagem.”

Biomimética via impressão 3-D

Os pesquisadores usaram policarbonato para alcançar seus resultados; quando aquecido, o policarbonato torna-se viscoso como o mel. Usando uma impressora 3-D, a equipe do professor Gosselin aproveitou essa propriedade para “tecer” uma série de fibras com menos de 2 mm de espessura e, em seguida, repetiu o processo imprimindo uma nova série de fibras perpendicularmente, movendo-se rapidamente, antes que toda a teia se solidificasse.

Acontece que a mágica está no próprio processo – é aí que o produto final adquire suas propriedades principais.

Conforme é lentamente extrudado pela impressora 3-D para formar uma fibra, o plástico derretido cria círculos que formam uma série de voltas. “Depois de endurecidos, esses laços se transformam em elos de sacrifício que dão à fibra força adicional. Quando ocorre o impacto, esses elos de sacrifício absorvem energia e se quebram para manter a integridade geral da fibra – semelhante às proteínas da seda“, explica o pesquisador Gosselin.

Em artigo publicado em 2015, a equipe do professor Gosselin demonstrou os princípios por trás da fabricação dessas fibras. O último artigo da Cell Reports Physical Science revela como essas fibras se comportam quando entrelaçadas para tomar a forma de uma teia.

O autor principal do estudo, Shibo Zou, aproveitou a oportunidade para ilustrar como essa teia poderia se comportar quando localizada dentro de uma tela de proteção. Depois de embutir uma série de teias em placas de resina transparente, ele conduziu testes de impacto. O resultado? Wafers de plástico dispersaram até 96% da energia de impacto sem quebrar. Em vez de rachar, eles se deformam em certos lugares, preservando a integridade geral dos wafers.

De acordo com o professor Gosselin, essa inovação inspirada na natureza pode levar à fabricação de um novo tipo de vidro à prova de bala ou à produção de telas protetoras de smartphones de plástico mais duráveis. “Também poderia ser usado na aeronáutica como revestimento protetor para motores de aeronaves”, observa o professor Gosselin. Nesse ínterim, ele certamente pretende explorar as possibilidades que essa abordagem pode abrir para ele.

[Ênfase adicionada]

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Mais informações:

Shibo Zou et al, Spiderweb-Inspired, Transparent, Impact-Absorbing Composite, Cell Reports Physical Science (2020). DOI: 10.1016 / j.xcrp.2020.100240