Diese Geschichte wurde in Tausenden von Marvel-Comics, Hunderten von Zeichentrickserien und mehreren Kassenschlägern über Spider-Man und seine Heldentaten erzählt. Es wurden nicht weniger als fünfzig Spiele über den Helden erstellt, und zuletzt die Premiere des von Sony veröffentlichten Spiels "Spider-Man" aus dem Studio Insomniac Games, das den Zuschauern das Leben von Spider-Man und Peter Parker selbst zeigt.
Das Marvel-Universum basiert auf einer Fantasy-Performance. In der Fantasiewelt gelten unsere Gesetze der Physik nicht unbedingt, daher erfordern die Fähigkeiten von Spider-Man keine wissenschaftlichen Beweise, obwohl sie auf wissenschaftlichen Erkenntnissen beruhen und eine übertriebene Version realer wissenschaftlicher Fakten sind. Der Geschichte zufolge erwarb Peter Parker seine Kräfte durch das Gift einer bestrahlten Spinne. Sie statteten ihn mit übermenschlicher Beweglichkeit und Geschwindigkeit, Reaktion und Stärke aus und führten im Laufe der Zeit zur Entwicklung noch beeindruckenderer Fähigkeiten, einschließlich Nachtsicht und wunderbarem Duft.
Festigkeit von Polymeren
Der Hauptvorteil von Spider-Man war zweifellos die Fähigkeit, Fäden von klebrigen und unglaublich haltbaren Spinnennetzen freizugeben. Wenn wir den Luftwiderstand ignorieren und den „Schuss“als streng vertikal betrachten, können wir die Geschwindigkeit der Spinnenfäden schätzen: v = (2 gh), dh v = (2 * 9,8 m / s2 * 100 m) = 44 m / s oder ungefähr 160 km / h. Und obwohl dies noch weniger ist als die Geschwindigkeit einer Kugel oder zumindest eines Geräusches, kann die Energie, die dafür benötigt wird, beeindrucken. Es ist schwer vorstellbar, wie der Körper es ohne eine zusätzliche künstliche Quelle erhalten könnte.
Die Stärke der Spider-Man-Fäden ist jedoch ziemlich "wissenschaftlich": Das Spinnennetz ist eines der stärksten Polymere auf dem Planeten. Seine Zugfestigkeit beträgt etwa 1000 MPa und im Rahmengewinde von Araneus diadematus-Spinnen 2700 MPa. Ein solcher Indikator liegt außerhalb der Leistungsfähigkeit der besten kohlenstoffreichen Stahlsorten. Daher kann bereits ein 3-mm-Spider-Man-Kabel (mit einer Stärke von 1000 MPa) einer Last von mehr als 7000 N standhalten und einer Last von bis zu 720 kg standhalten - oder dem Gewicht eines normalen Menschen, selbst bei starker Beschleunigung bei einem Sturz.
Das Netz der Spinnentiere wird von spezialisierten Drüsen im hinteren Teil des Bauches abgesondert, und dasselbe Tier kann mehrere Arten von Drüsen aufweisen, die ein Netz mit unterschiedlichen Eigenschaften bilden. In jedem Fall ist dies in Bezug auf die chemische Zusammensetzung ein spezielles Protein, das dem Seidenprotein sehr nahe kommt. Seine Ketten sind reich an Glycin (die kleinste der Aminosäuren, es bietet Flexibilität für die Polymerstränge) und Serin (die einzige Aminosäure in lebenden Organismen, die Schwefel enthält, die zusätzliche Bindungen bilden kann, die die Form des Proteins stärken). Und einzelne Abschnitte des Proteins enthalten außergewöhnlich große Mengen der dritten Aminosäure Alanin.
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Es scheint, warum brauchen wir all diese Details? Sie sind es jedoch, die die spezielle Mikrostruktur von Spinnennetzproteinen und Spidroinen erzeugen: Alaninregionen bilden dicht gepackte kristalline Regionen und Glycinregionen - amorphe, elastische Bindungen zwischen ihnen. Beim Trocknen an der Luft härtet die gesamte Struktur aus und bildet einen Faden, aus dem die Spinne Teile ihrer Bahn webt. Dieser Prozess ist schwierig, aber die Synthese der Bahn ist noch schwieriger. Spinnen geben so viele Ressourcen für die Herstellung von Spidroins aus, dass sie oft selbst alte und beschädigte Fäden fressen, um sie wiederzuverwenden.
Alien Web
Versuche, das Web zu "zähmen" und es im Labor und dann im industriellen Maßstab zu bekommen, haben seit vielen Jahrzehnten nicht aufgehört. Während dieser Zeit war es möglich, das Spidroin-Gen zu identifizieren, zu isolieren und auf andere Organismen zu übertragen. So ist es heute möglich, ein Proteinpolymer nicht nur aus speziell gewachsenen Seidenraupen oder Spinnen, sondern auch aus E. coli-Bakterien, gentechnisch veränderten Pflanzen von Tabak und Kartoffeln und sogar aus … Ziegenmilch sind Tiere, die das Spinnenproteingen tragen. Das technische Hauptproblem in diesem Bereich ist in der Tat das Weben von Fäden aus dieser wertvollen Ressource.
Spinnen verwenden ein äußerst komplexes System von Spinnennetzdrüsen: Im Gegensatz zur gleichen Milch aus Nägeln und Haaren benötigt dieses Material einen empfindlichen, gleichmäßigen Schmucksynthesevorgang. Spidroin muss mit einer genau definierten niedrigen Geschwindigkeit freigesetzt werden und sich zu einem bestimmten Zeitpunkt im erforderlichen Stadium der Aushärtung verflechten. Daher sind die Drüsen einiger Spinnen äußerst komplex und enthalten mehrere separate Reservoire für die sequentielle "Reifung" der Bahn und ihre Bildung. Es ist kaum vorstellbar, wie Spider-Man es mit einer Geschwindigkeit von 150 km / h weben könnte. Aber nur um Spidroin zu synthetisieren, wird der Mann der Zukunft durchaus fähig sein.
Nein, nichts wie Gene wird mit Bissen übertragen, sei es ein gewöhnliches Tier oder sogar eine radioaktive Spinne. Selbst die "induzierte" Strahlung selbst, die im Biss einer Spinne, die harte Strahlung überlebt hat, bestehen bleiben könnte, wird für uns wahrscheinlich kein ernstes Niveau erreichen - es sei denn, ihr Gift bestand aus reinem Plutonium. Und "mutagene Enzyme" hätten Peter Parker kaum die nötigen Superkräfte gegeben. Soweit wir wissen, existieren solche Menschen in der Natur nicht: Unser Körper kämpft im Gegenteil ständig gegen zufällige Mutationen, und ganze Proteinarmeen sind ständig damit beschäftigt, beschädigte DNA zu "reparieren". Die Unterdrückung der Arbeit dieser Proteine erhöht das Ausmaß der Mutationen - aber in diesem Fall würde Peter Parker höchstwahrscheinlich einfach an einem der Krebsarten sterben, die mit zufälligen Mutationen behaftet sind.
Es ist kaum möglich, die Gene von Spidroin-Proteinen, die wir brauchen, mit einem Biss zu bekommen. Dazu muss ein bestimmtes DNA-Fragment nicht nur in den Körper gelangen, sondern auch den Angriff des Immunsystems vermeiden, während es in die Zellmembran und dann in die Kernmembran eindringt - und sich schließlich in die aktive Region eines Chromosoms integrieren. Es ist kaum vorstellbar, dass dies zufällig passiert ist - Viren haben diese einfache Fähigkeit seit Milliarden von Jahren und unzähligen Generationen verbessert. Daher sind es Viren, die Hoffnung geben können, dass die Wissenschaft eines Tages Parkers Freiwilligen in so etwas wie einen echten Spider-Man verwandeln wird.
Energie und Nanotechnologie
Als 2010 Ziegen gewonnen wurden, die Milch mit Spinnennetzproteinen produzieren, verwendeten die Wissenschaftler modifizierte Viren, um Gene zu übertragen. Sie konnten die Zelle nicht schädigen, behielten jedoch die Fähigkeit, sich an sie zu binden und ein künstliches Analogon des darin enthaltenen Spidroin-Gens zu liefern. Übrigens wurde das auf diese Weise erhaltene Polymer zu einem äußerst haltbaren Material verwoben, das Nexia Biotechnologies unter der Marke BioSteel bewarb. Der Produktionsprozess wurde jedoch nie auf wirtschaftlich gerechtfertigte Kosten und Größenordnung gebracht, sodass das Unternehmen heute bankrott gegangen ist. Aber wir wurden abgelenkt.
Die für die Synthese von Spidroin notwendigen DNA-Fragmente wurden im Stadium einzelliger Embryonen in Ziegen eingeführt. Anschließend wurden diese Gene in allen Tochterzellen des gebildeten Organismus gefunden, obwohl die Wissenschaftler sie in den Teil des Genoms integriert hatten, der nur in Zellen aktiv war, die an der Synthese von Muttermilch beteiligt waren. Wenn wir Peter Parker in Spider-Man verwandeln wollen, wird es viel schwieriger. Erstens muss das Zielgen in den Chromosomen eines erwachsenen Organismus sofort in einer Vielzahl gebildeter Zellen in bestimmten Bereichen der Haut auftreten und sich überall in den gewünschten Bereich integrieren.
Theoretisch können die neuesten Technologien, die derzeit verschiedene Studien- und Labortests durchlaufen, dies ermöglichen, sowie einige Ideen, die eine Frage der fernen Zukunft bleiben. Insbesondere die verbesserte CRISPR / Cas-Methode verspricht eine präzise Integration von Genen in die gewünschten Chromosomenregionen. Es verwendet einen speziellen Satz von bakteriellen Enzymen und RNA, um Schnitte in einen DNA-Strang an einer bestimmten Stelle vorzunehmen. Die zelleigenen Enzyme beeilen sich sofort, um diesen künstlichen Schaden zu reparieren und das erste "Pflaster" zu verwenden, das daher kommt - normalerweise ein Fragment eines Gens, das Menschen zusammen mit den Cas-Proteinen einführen müssen.
Retroviren können den Transport für die Abgabe des gesamten Satzes von Molekülen bereitstellen, wie dies bei Ziegen geschehen ist. Und die Nanotechnologie wird es ermöglichen, die Schalen von Viruspartikeln mit Elementen auszustatten, die beispielsweise auf ein Magnetfeld reagieren, um die Genmodifikation ausschließlich in den notwendigen Zellen des erwachsenen Peter Parker zu aktivieren. Es ist schwieriger vorstellbar, wie aus den Zellen seiner Haut und anscheinend aus den Schweiß- und Talgdrüsen Arachnoidaldrüsen erhalten werden könnten, die viel komplexer angeordnet sind und anders funktionieren. Der Stoffwechsel bleibt jedoch das Hauptproblem.
Wie der Flug von Vögeln, Schlangengift oder dem Gehirn von Menschen ist das Spinnennetz eine überraschend komplexe Anpassung, ein wahres Meisterwerk der Evolution, das den Erfolg einer großen Gruppe von Tieren gesichert hat. Aber das Gehirn, die Flucht und die Synthese von Toxinen und Spinnweben sind Anpassungen, die für den Körper extrem teuer sind. Experimente mit australischen Verwandten von Vipern haben gezeigt, dass sie nach dem Stechen ihre Stoffwechselrate um fast 70% erhöhen müssen, um die Versorgung mit Proteingift schrittweise wiederherzustellen. Wie stark sollte der Stoffwechsel eines Menschen ansteigen, damit er Hunderte Meter dickes Netzseil synthetisieren kann? Wie viel Essen braucht er und wie kalorienreich sollte es sein? Es scheint, dass all diese Überlegungen unseren Träumen von einem echten Spider-Man ein Ende setzen.
Anstelle eines Nachwortes
Selbst wenn wir nur eine Person haben wollen, die nach und nach Spinnweben synthetisieren kann, wird es nicht ausreichen, Peter Parker das Spidroin-Gen hinzuzufügen. Die gleichen Bemerkungen gelten in unserem Fall. Wir müssen Spinnendrüsen in ihm wachsen lassen, ihm einen erhöhten Stoffwechsel ermöglichen, der ihm zusätzliche Geschwindigkeit, Beweglichkeit und Ausgeglichenheit verleiht - und Energie für die Synthese des Netzes. Es ist unwahrscheinlich, dass dies im Rahmen unseres Körpers möglich ist, und es ist unwahrscheinlich, dass solche Experimente jemals durchgeführt werden. Aber die Kraft der Spinnennetzpolymere selbst wird früher oder später zu unseren Diensten kommen, und wir werden ein neues erstaunliches Material für schwere und leichte Kleidung, Kabel, für Medizin und komplexe Optiken erhalten. Vielleicht sehen solche Produkte nicht so beeindruckend aus wie der fantastische Spider-Man, aber sie werden wahrscheinlich nicht weniger Leben retten.