Pajęczyna jest jednym z najbardziej fascynujących naturalnych zjawisk, jakie możemy spotkać w naszym najbliższym środowisku. I choć u wielu osób budzi niechęć, to naukowcy dostrzegają w niej – za sprawą jej właściwości mechanicznych i biologicznych – szerokie możliwości do zastosowania w biomedycynie, inżynierii czy elektronice.

Podziw badaczy wzbudzają także kształty pajęczych sieci. Mają one różną formę, która zależy od ich wykonawcy – a na świecie żyje ok. 45 tys. gatunków pająków, z czego w Polsce jedynie 800.

Spirala Archimedesa

Arachnolodzy – naukowcy zajmujący się m.in. badaniem pająków – wyróżniają sieci trójwymiarowe, krzyżowe, lejkowate czy matowe. Najbardziej charakterystyczna i rozpoznawalna z sieci ma jednak kształt spirali. To właśnie jej forma – w Polsce takie sieci budują pająki z grupy krzyżakowatych – w sposób szczególny przyciąga uwagę matematyków.

Zbudowana z promieni i spirali pajęczyna przypomina jedną z najbardziej znanych z geometrii płaskiej krzywych – spiralę Archimedesa. Podamy tu mechaniczne określenie takiej krzywej. Otóż jest to krzywa, jaką zakreśla punkt płaszczyzny poruszający się ze stałą prędkością wzdłuż półprostej o danym punkcie początkowym, gdy ta półprosta jednocześnie obraca się wokół tego punktu ze stałą prędkością kątową.

Opisana przez greckiego geniusza spirala ma unikalne właściwości stosowane nie tylko w matematyce, ale i w praktyce inżynieryjnej. Według jej wzoru budowane są np. spiralne schody w nowoczesnych domach czy na stadionach.

Spirala Archimedesa jest szczególnym przypadkiem krzywej, w której odległość między jej ramionami pozostaje stała, niezależnie od miejsca na krzywej. Inną jej unikalną właściwością jest to, że może być łatwo opisana za pomocą prostych wzorów analitycznych. A kiedy np. inżynier budownictwa zna odpowiednie równania, łatwo możne obliczyć długość łuku, pole wycinka, ale także promień krzywizny spirali czy samą krzywiznę.

Wzory określające różne spirale – np. logarytmiczną – modelują przepływ płynów w różnych warunkach, takich jak wiry w atmosferze czy prądy oceaniczne. W astronomii używane są do modelowania kształtu galaktyk spiralnych, co pomaga w badaniach nad ich dynamiką. Biolodzy zadziwiająco podobne struktury dostrzegają natomiast m.in. w budowie ludzkiego ucha, muszli ślimaków czy rozmieszczeniu nasion w kwiatostanach.

Zadziwiająca nić

Nie tylko spiralna konstrukcja sieci zasługuje na uwagę. Warto też poznać niezwykłe właściwości pajęczej nici. To one sprawiły, że jest ona obecnie przedmiotem intensywnych badań.

Pajęcza nić jest bardzo cienka – od 0,003 do 0,005 mm – a mimo to jest niezwykle wytrzymała. Ponadto może rozciągnąć się o 40% swojej długości bez zerwania. Cecha ta sprawia, że ma ona wytrzymałość dwukrotnie większą niż stal o tym samym przekroju. To także materiał, który nie rozpuszcza się w wodzie, co czyni go jeszcze bardziej unikalnym wśród naturalnych włókien.

Badania wykazały, że nić pajęcza może być wykorzystywana w medycynie, szczególnie w produkcji nici chirurgicznych, które charakteryzują się niezwykłą wytrzymałością, a także w tworzeniu nowych materiałów stosowanych w nanotechnologii czy biotechnologii. Nici pajęcze mają właściwości przewodzące światło, co sprawia, że mogą być używane np. jako mikroskopijne światłowody w endoskopii.

Obok niezwykłych cech mechanicznych pajęczyna ma również interesujące właściwości biologiczne. Zdaniem naukowców, mogą one okazać się cenne w leczeniu ran i zwalczaniu infekcji. Badacze odkryli bowiem, że niektóre rodzaje pajęczych nici zawierają naturalne substancje o właściwościach przeciwbakteryjnych i przeciwzapalnych. Może to oznaczać, że pajęczyna ma potencjał, aby skutecznie pomagać w walce z infekcjami i w gojeniu ran.

Dalsze badania w tym obszarze powinny dać odpowiedź m.in. na pytanie, czy będziemy umieć wykorzystać właściwości nici pajęczej do wyprodukowania nowych rodzajów bandaży, opatrunków lub nici chirurgicznych. Wydaje się jednak, że najważniejszym wyzwaniem będzie znalezienie sposobu na produkcję sztucznych nici o właściwościach podobnych do włókien pajęczych.

Na razie nie udało się stworzyć materiału, który dorównywałby niciom pajęczym. Wiadomo, że pajęczaki wytwarzają swoją nić w wyniku wydzielania substancji z gruczołów przędnych, które następnie twardnieją na skutek kontaktu z powietrzem. Część badaczy uważa, że to właśnie badania nad tym procesem pozwolą na stworzenie metody produkcji nici o właściwościach zbliżonych do pajęczych.

Transport, sztuka...

Arachnolodzy odkryli, że niektóre pająki potrafią wykorzystywać swoją sieć do rozprzestrzeniania się w terenie. Stawonogi te wypuszczają pasmo pajęczyny, która unosząc się na wietrze, umożliwia im kolonizowanie nowych obszarów. Zjawisko to jest interesujące dla badaczy zajmujących się inżynierią materiałową i technologią. Może stanowić impuls do opracowania nowych metod transportu lub rozprzestrzeniania materiałów w powietrzu.

Pajęczyna jest także natchnieniem dla artystów, którzy odnajdują w niej piękno ukryte w geometrycznych kształtach i strukturze. Motywy inspirowane pajęczynami, a zwłaszcza spiralą Archimedesa, pojawiają się w sztuce czy designie. Wiele stron internetowych i logotypów wykorzystuje wzory sieci pająków do tworzenia estetycznych elementów, takich jak tło, nagłówki czy przyciski. Wzory pajęczyn można znaleźć także w projektach biżuterii czy odzieży. Takie geometryczne podejście do projektowania daje artystom możliwość eksplorowania naturalnych wzorców i form w nowych kontekstach, łączenia nauki z estetyką.

...i my

Powyższe przykłady pokazują, że pajęczyny i spirale Archimedesa, choć z pozoru odległe od siebie, w rzeczywistości łączą się w sposób, który oferuje ogromne możliwości. W przyszłości z pewnością będziemy świadkami kolejnych odkryć, które pozwolą na szersze wykorzystanie tych naturalnych fenomenów. Istnieje jednak pewien szkopuł – jesteśmy nim my. A dokładnie ci spośród nas, którzy nie przepadają ani za pająkami, ani za ich inżynierskimi konstrukcjami. Zanim osoby te zaczną niszczyć napotkane pajęczyny, warto, by zdały sobie sprawę, że pająki mają także istotny wpływ na równowagę ekologiczną. Ich obecność w ogrodach, lasach czy na łąkach pomaga utrzymać populację owadów w ryzach. Pajęczyny stanowią skuteczną metodę kontroli nad populacjami szkodników takich jak mszyce, motyle czy komary. W naszych domowych pomieszczeniach pokarmem dla pająków są: muszki owocowe, mole spożywcze, komary, muchy domowe, a nawet chroniące się na zimowanie w domach biedronki.

Warto więc na koniec zadać sobie pytanie: czy nasza niechęć do pająków i ich sieci nie wynika z braku zrozumienia ich roli w naturze? Naukowcy sobie na to pytanie odpowiedzieli – oni w pająkach widzą nie przeszkodę, ale inspirujący pomost do przyszłości.

Autor jest doktorem nauk technicznych, wykładowcą w Akademii Nauk Stosowanych Towarzystwa Wiedzy Powszechnej w Szczecinie.