Bienvenue dans le monde pas si effrayant de la soie d’araignée

Souvent, les araignées inspirent la peur, l’inconfort et une sensation persistante et énervante. Que vous rencontriez une espèce venimeuse ou non, un « choc » d’araignée peut envoyer même la tête la plus froide dans une frénésie inattendue. Mais sous ces conceptions culturelles des arthropodes se cachent des comportements merveilleux et une intelligence naturelle. L’un de ces éléments – et un phénomène biochimique qui fait tourner le monde scientifique avec possibilité – est la soie d’araignée des toiles d’araignées. Les faits fascinants et les phénomènes entrelacés de la soie d’araignée sont un mystère qui se dévoile. Saviez-vous que ces fils soyeux de toiles peuvent être si solides que les fibres peuvent être utilisées comme filets de pêche ? Ce n’est que la pointe de l’appendice sur le sujet – il y a tellement plus à apprendre !

Bienvenue dans le côté pas si effrayant de ces organismes. Préparez-vous à être complètement plongé dans les faits et les mystères de ces maîtres tisserands et de la puissance des fibres qu’ils fournissent.

Qu’est-ce que la soie d’araignée ?

La plupart des gens balayent les toiles d’araignées et évitent à tout prix les nids d’araignées denses – mais allons-y :

La soie d’araignée est une fibre protéique filée par les araignées.

Cette soie est la fibre que les araignées utilisent pour tisser leurs toiles. Il flotte dans l’air. Les araignées l’utilisent pour attraper et piéger leurs proies. C’est ainsi qu’ils construisent des nids et fabriquent des cocons. Ils peuvent même utiliser leur soie pour s’éloigner des prédateurs. Lorsque les conditions sont juste assez ensoleillées et que vous vous arrêtez pour admirer votre environnement, vous pourriez réaliser les toiles d’araignées et les brins de soie qu’elles tissent sont tout autour. Vous pourriez même apercevoir la vue enchanteresse d’une araignée, dérivant dans les airs sur ces fibres de soie – presque comme un tour de tapis magique du monde animal.

Toutes les araignées produisent de la soie, même les espèces qui ne construisent pas de toiles.

Beaucoup de gens ne réalisent pas que cette soie est aussi intimement tissée dans les rituels d’accouplement et de courtoisie des araignées. La soie fonctionne presque comme un canal de transmission ou une cloche qui sonne – envoyant des signaux par vibration le long de cette ligne scintillante. C’est incroyablement poétique à y regarder de plus près. Ou du moins, une belle tresse de science et de poésie ensemble dans le monde naturel au nom de la copulation. Peut-être que les humains et les araignées ont plus en commun que nous ne le pensions.

Sept glandes à soie

Autre fait peu connu : toutes les soies d’araignées ne sont pas identiques.

Une seule araignée peut créer jusqu’à 7 types différents de soie d’araignée naturelle, selon l’espèce, les circonstances et les cycles de vie de l’araignée. Certains types de soie conviennent mieux aux structures de construction. D’autres fibres, produites par le même insecte, sont idéales pour transmettre des messages (ces vibrations d’accouplement !). D’autres soies absorbent efficacement l’énergie. Toutes ces soies différentes forment le processus de filage qu’entreprend une araignée et elles proviennent également de différentes glandes. Pour résumer par liste :

• La glande ampulsée majeure est la glande qui produit la soie de dragline d’araignée. Les draglines sont un type de soie que les araignées utilisent sur les limites extérieures de leur toile – les jantes et les rayons – pour monter en ballon et aussi ce qu’on appelle une « bouée de sauvetage » en soie. Cette soie est extrêmement résistante mais peut aussi se contracter rapidement en fonction des éléments.
• Ampuler mineur est la glande qui produit la soie que l’araignée utilise pour l’échafaudage temporaire et le renforcement lors de la construction de la toile.
• Le Flagelliforme est la glande que l’araignée utilise pour fabriquer la soie qu’une araignée déploie pour capturer les lignes de la toile. C’est ce que les scientifiques appellent la « soie en spirale de capture ».
• Le Tubuliforme est la glande qui produit la soie du cocon et devient une maison protectrice pour un sac d’œufs.
• Acinus la soie est la soie qu’une araignée utilise pour envelopper ses proies fraîches.
• La glande agrégée produit une sécrétion aqueuse de soie de fil gluant composé de globules collants.
• et enfin, le Glande piriforme produit une autre soie ressemblant à de la colle que les araignées utilisent pour former des liens entre leurs différents fils de soie séparés et les fixer tous ensemble à des points d’attache importants.

Vous n’avez pas besoin d’être un expert des espèces d’araignées, de l’anatomie et des glandes pour être complètement étonné par cette capacité à créer des fibres pour des scénarios aussi vastes et variables. Comme les araignées des jardins, les veuves noires, néphila clavipes (ou tisserands d’orbes dorés) et d’autres arthropodes ont évolué au cours de l’histoire, tout comme leurs toiles et les filières qui produisent cette soie étonnante. Il existe de simples structures de soie – telles que des toiles tubulaires primitives – conservées dans les archives fossiles il y a 300 millions d’années ou plus. Il existe des structures plus complexes telles que les toiles d’orbes, qui apparaissent pour la première fois dans l’histoire de notre Terre avec des tisserands d’orbes datant d’il y a 110 millions d’années. Une fois que vous réfléchissez à ce genre de tapisserie à travers le temps que les araignées continuent de tisser, même les toiles d’araignées dans le coin de votre pièce commencent à avoir un aspect un peu différent.

La science derrière la soie d’araignée

Nous avons donc couvert les bases de l’utilisation de la soie par les araignées et de l’endroit où elles produisent cette soie – mais quelle est cette science derrière cette soie, et comment ça marche ? Ce sont des prochaines questions importantes.

Les fils de soie d’araignée sont plus fins que les cheveux humains et sont également les fibres les plus résistantes que l’on trouve dans la nature. Nous connaissons une grande variété de raisons pour lesquelles les araignées filent leur fibre, mais même avec ces compréhensions, il n’est pas moins merveilleux que ces créatures créent de la fibre en quelques secondes, dans des conditions changeantes et ambiantes, avec des ressources entièrement renouvelables, pour fabriquer un matériau. qui est encore plus fort que le kevlar. Sans surprise, les scientifiques et les entrepreneurs peuvent reconnaître les opportunités inhérentes à l’exploitation de ce type de capacité – et plus tard, dans cet article, nous examinerons la valeur de la soie d’araignée et la hâte de trouver des moyens de reproduire le processus dans un laboratoire.

La structure de la soie d’araignée est un vaste réseau de composants et de propriétés imbriqués. La caractérisation de la soie comprend « la glycine, l’alanine et une petite quantité de sérine ». C’est « un polypeptide naturel, une protéine polymère » – dans le même groupe que le collagène présent dans nos ligaments et la kératine, présent dans nos ongles et nos cheveux. Les protéines de soie d’araignée sont déterminées par la glande dont elles proviennent. Par exemple, dans le cas d’une dragline de la glande Major Ampullate, la protéine fibroïne (Mr 200 000-300 000) est combinée avec les protéines spidroïne 1 et spidroïne 2.

Il s’agit « des processus sophistiqués d’auto-assemblage des protéines de soie en polymères distincts ». Ces biopolymères peuvent être à la base de nouveaux produits, comme nous le verrons plus loin. Toujours selon ACS, la séquence d’acides aminés dans les protéines de soie est composée « d’alanine et de glycine », tandis que la sérine et la praline sont également présentes dans certains types de soie. Les régions riches en glycine sont ce qui donne à la soie d’araignée son « élasticité, formant des zones amorphes dans sa structure ».

La résistance à la traction est un terme qui décrit la « quantité de contrainte qu’une substance peut supporter avant de commencer à se fracturer ». La soie d’araignée varie de 0,45 à 2,0 GPa. Dans certains contextes, l’acier se situe à peu près dans la même fourchette.

De plus, cette soie est un matériau qui peut se ramollir et diminuer de longueur « jusqu’à ∼60% lors d’une exposition à une humidité élevée ». Cet événement est également connu sous le nom de super contraction. Le matériau passe du verre au caoutchouc – une transformation incroyable.

En quoi est-ce différent de la soie de ver à soie ?

Les araignées ne sont pas les seuls insectes à produire de la soie, bien sûr. Il existe d’autres espèces célèbres pour leurs fibres que les humains ont appris à manipuler et à utiliser à l’échelle mondiale.

Le plus connu d’entre eux est le ver à soie. Et tandis que la soie d’araignée est connue comme une « super soie », la soie de ver à soie est une industrie super énorme et une autre fibre avec une force et un impact impressionnants également. Les vers à soie sont en fait le stade larvaire du ver à soie domestique ou Bombyx mori. Il se nourrit de feuilles de mûrier blanc et, contrairement aux araignées, dépend entièrement de l’homme pour se reproduire. C’est une espèce d’insecte domestique que nous cultivons depuis des millénaires. Aussi connu sous le nom Sériciculture (en anglais bien sûr), la pratique de l’élevage et de la culture de ces espèces remonte à au moins 5 000 ans – dans la Chine ancienne. Il s’est propagé à travers l’Inde, la Corée, le Japon, le Népal, partout dans le monde aujourd’hui. C’est maintenant une espèce de soie qualifiée qui a été exploitée pour la production de masse – utilisée dans les vêtements, les sutures chirurgicales, les pneus de vélo et même les parachutes.

Certains scientifiques affirment que la soie de vers à soie est sans doute aussi solide que certaines soies d’araignées et qu’elle peut être cultivée dans de bonnes conditions au lieu de produire des vers à soie avec leurs «gènes modifiés».

Quelle est la valeur de la soie d’araignée ?

Alors que les propriétés puissantes de la soie d’araignée pourraient être une nouvelle information pour vous et moi, nos ancêtres considéraient probablement cette fibre hautement là où ils la trouvaient dans la nature. C’est à cause de ses pouvoirs de guérison légendaires. Il était utilisé pour panser les blessures, lancer des filets de pêche, etc.

Ainsi, à bien des égards, nous nous souvenons simplement de ce que les anciens avaient déjà deviné et expérimenté à propos de la valeur de la soie d’araignée.

Et bien sûr, comme nos sociétés ont changé, notre concept de valeur change aussi. Dans un monde de plus en plus commercialisé à l’échelle mondiale, la valeur inhérente à la soie d’araignée reste comme une bobine d’or – terriblement hors de portée. Selon une publication en ligne de l’ACS, la fabrication de « fibres artificielles de soie d’araignée à grande échelle est un objectif majeur de la science des matériaux depuis des siècles ». Cette étude décrit ensuite deux méthodes principales de tentative de fabrication.

Le premier est le biomimétisme – une technique que de nombreuses espèces en plus des humains utilisent pour divers besoins et désirs. Les humains, dans ce cas, s’efforcent d’imiter le processus des araignées pour créer leur super fibre. Cette catégorie de technologie imite le processus naturel en ce sens que « les protéines de soie d’araignée (spidroïnes) sont produites dans des conditions de type natif, puis transformées en fibres selon un processus qui capture les mécanismes moléculaires naturels et complexes ». Cependant, jusqu’à présent, ces soies d’araignée synthétiques n’ont pas encore égalé les propriétés mécaniques de la soie d’araignée.

La deuxième méthode dans les laboratoires utilise la biotechnologie qui produit « de grandes spidroines qui peuvent être filées en fibres en utilisant des solvants organiques ». Dans ce scénario, nous avons pu reproduire les propriétés mécaniques du matériau naturel, mais les rendements du procédé sont trop faibles pour une « production économiquement durable ». Des recherches sont en cours sur les protéines de soie d’araignée recombinantes – et les méthodes aqueuses peuvent être une méthode de production viable.

Des efforts sont en cours pour produire de la soie d’araignée synthétique – et les scientifiques décrivent le besoin comme urgent – mais pourquoi ? Qu’y a-t-il dans la soie d’araignée qui nous oblige à travailler si dur pour la reproduire de manière évolutive ?

La course urgente pour tisser comme les araignées

Comme nous l’avons évoqué ci-dessus, et comme il ressort probablement assez clairement de tous les faits étonnants sur la soie d’araignée, les propriétés mécaniques de cette fibre sont passionnantes pour diverses personnes ayant des idées technologiques, commerciales, renouvelables et créatives. Plus solide que le Kevlar, la soie d’araignée devrait changer la donne dans les industries des textiles haute performance et des articles de sport tels que le ski et l’alpinisme. On parle de ce que cette soie pourrait fournir pour des pièces durables en robotique.

Il y a des contributions prévues à la médecine et à d’autres matériaux composites qui pourraient remodeler et réinventer des pans entiers des industries pharmaceutiques et des ressources de construction. Avec tant d’opportunités dans la balance et la ténacité d’un humain avec une idée apparemment illimitée, la course urgente continue de voir qui pourrait enfin être capable de tisser aussi bien que les araignées de mère nature. Seul le temps nous le dira. Parce que la conception de la soie et de la toile des araignées est « régie par les mêmes règles et contraintes que celles qui s’appliquent à la science des matériaux et à l’ingénierie structurelle des humains », nous avons certainement beaucoup à apprendre de leurs compétences impressionnantes, anciennes et naturelles. Nous espérons que nous pourrons également canaliser leur approche des ressources renouvelables et de l’équilibre au sein des écosystèmes. Pour l’instant, les araignées flottent sur leurs toiles de soie dorées et gardent leurs secrets.