خيوط العنكبوت : كيف تتشكل أقوى الخيوط الموجودة في الطبيعة؟

من القصص العجيبة التي يمكن أن تقرأها، يحكى أن جنود جيوش جنكيز خان كانت تلبس قمصان ممزوجة بخيوط العنكبوت . ولذلك كانت القمصان قوية كفاية لصد هجمات العدو والتغلب عليه، وبسبب ذلك تمكن جنكيز خان من فتح أجزاء كبيرة من أسيا. بالطبع قد تكون مجرد قصص لإرعاب العدو وقتها، ولكنها بتأكيد ناجحة، وقد اختاروا خيوط العنكبوت بالأخص بسبب قوتها وخصائصها المدهشة. في هذا المقال ستتعرف أكثر على هذه الخصائص، وتعرف أيضاً لماذا قد تكون خيوط العنكبوت بهذه القوة وحسن الصيت الواسع.

خيوط العنكبوت وقدرتها الخيالية على تحمل القطع

قصص أخرى عن خيوط العنكبوت

قيل إن الإغريقيين القدماء، استخدموا خيوط العنكبوت كضماد. خاصة كضماد للحروق، لأنهم وجدوا فيه خصائص طبية تمنع الالتهاب وتسرع من عملية تخثر الدم، وبذلك فهو مناسب جداً للجروح والحروق. كما قيل أيضاً أن الفلكيون القدماء، كانوا يضعون خيوط العنكبوت فوق عدسات التلسكوب. حتى يستخدموها كمؤشر دقيق، بهدف تحديد الاتجاه والزوايا. وكذلك استخدمت نفس الطريقة على النواظير، في الحرب العالمية الثانية، وكان ذلك يعتبر أدق إمكانية موجودة بتلك العصور.

لماذا تغزل العناكب خيوطها؟

في القديم اعتقد الإنسان أن العناكب تنسج الخيوط من أجل بناء البيوت الخاصة بها. ولكن بعد ذلك عرف الإنسان أنها تستخدم الخيوط في طرق الصيد، حيث تبني شبكة محكمة وتصيد بها الفرائس التي تقع فيها. يوجد 37 ألف نوع من العناكب معروف لدى البشر، منهم من يستخدم خيوط العنكبوت في الصيد، البعض الأخر يستخدمهم في التنقل من مكان لأخر فقط لا غير، ولكن البعض الأخير لا ينسج الخيوط من الأساس. مثل النوع المسمى “Cerbalus Aravensis”، الذي تم اكتشافه مؤخراً بعام 2010 في الصحراء. وهو يعيش تحت الرمال ينتظر وقوع الفريسة. ومنذ أن عرف الإنسان خصائص خيوط العنكبوت، وهو يحاول الاستفادة منها كما يفعل مع شرانق الحرير، لتصنع له الحرير الناعم، والذي كان يتهافت عليه الملوك منذ الأزمنة القديمة.

أنواع مثيرة للعجب من العناكب

بعض العناكب الأخرى تدهش العلماء لما تتميز به من خيوط تنسجها لأهداف عجيبة بطريقة بديعة الجمال. فهناك على سبيل المثال عنكبوت يسمى “Argyroneta aquatic”، أو عنكبوت الماء. هذا العنكبوت ينسج خيوطه لا من أجل صيد الفرائس، بل من أجل الغوص في أعماق المياه. بحيث ينسج الخيوط ليكون كرة وهو بداخلها، ومعه كمية من الأكسحين تكفيه لمدة ما بين 20 إلى 40 دقيقة تحت الماء. فيصبح مثل الغواصة الماهرة، على شكل الفقاعة. كما أن لها خصائص تجعلها مثل خياشيم الأسماك، فيستطيع إمداد نفسه بالأكسجين من خلالها عن طريق الماء. فلا يحتاج للصعود إلى السطح، وقد لاحظ العلماء أن البعض منهم لا يخرج لمدة يوم كامل.

نوع مثير أخر من العناكب يسمى “Argiope keyserlingi”، هذا العنكبوت يتميز بتصميمه لشبكة يتميز بها عن غيرها. حيث ينسج في وسط شبكته علامة تشبه علامة (+) أو علامة الصليب. فتكون واضحة أكثر من غيرها باللون الأبيض اللامع في وسط الشبكة. وقد فهم العلماء فيما بعد أنه بفعلته هذه، يحذر الطيور والحيوانات الكبيرة التي لا يريدها أن تسقط في شبكته، التي أعدها للفرائس التي يستطيع إمساكها. وبالتالي فإن الطيور تتمكن من رؤيتها بوضوح أكثر من بعيد والابتعاد عنها. وبذلك فهو يحمي الشبكة من الأضرار الكبيرة، ويتبقى له الوقت الكافي للصيد.

بعد 400 مليون سنة من التطور، أصبح خيط العنكبوت لا يُنافَس بين جميع الخيوط الطبيعية التي تنجها الطبيعة. فهو يتمتع بالخفة وطري، كما إنه قوي لدرجة لا تتخيلها، وستعرف فيما بعد ما هو قادر على فعله وتحمله. فهو مثلاً أقوى من الحديد، لو قارنا بين ما يستطيع الحديد تحمل وزنه، وما تستطيع الخيوط تحمل وزنه مقارنة بوزنها هي. وقيل عنه أنه مرن كالعلكة، بحيث يمتص الصدمات مهما كانت قوية، ويكون مرن معها ويتحملها دون أن ينقطع. ناعم لدرجة أنه ينافس الحرير. وأخيراً فهو يتحلل بشكل طبيعي، أي لا يبقى في البيئة ويضرها. فيمكن استخدامه في أي مجال يخص البيئة وتتركه هناك ليتحلل بمفرده ويختفي.

خصائص مدهشة لخيوط العنكبوت

مع تقدم العلم، تساءل العلماء عن سبب شهرة خيوط العنكبوت عن غيرها في العالم كله، مع إنها تظهر وكأنها ضعيفة جداً. وبعد دراسات وجدوا أن خيوط العنكبوت تمتلك خصائص هيدروليكية، وكهربائية، وغيرها الكثير من الخصائص المدهشة. هنا نذكر بعضها، وفوائد عملية يمكن تطبيقها من تلك الخيوط:

أولاً

في جامعة يابانية، تم تربية عناكب من نوع Nephila clavipes. وبعد إنتاج العناكب للخيوط، تم جمعها وتركيبها على آلات موسيقية وترية. لتعمل خيوط العنكبوت بشكل موسيقي جميل، وتنتج أصوات موسيقية رائعة ونغمات من المستوى 9000 و12000 و15000. ويقال إن تلك الخيوط تمتلك قوة أكبر من الفولاذ، لأنها تحتوي على بروتين مع بنية كريستالية طويلة ومعقدة، يصعب تفكيكها أو إضعافها.

ثانياً

في عام 2012 في جامعة مدينة لستر الإنجليزية، توصل طلاب بقسم الفيزياء عن طريق حسابات طويلة، من أن خيوط العنكبوت قادرة على وقف قطار كامل يسير بسرعته القصوى. لو كانت تلك الخيوط تشكل جلد كبير بما يكفي، وبدون أن تنقطع. ذلك الأمر يجعل العلماء يفكرون في إمكانية صنع سترة واقية من الرصاص، لأن خيوط العنكبوت قوية بما يكفي، وكذلك خفيفة ورقيقة ولن تشكل عبء على من يرتديها. وبالفعل بدأ العمل عليها، بمساعدة من Jalila Essaidi المصممة الهولندية. من الواضح أن أفلام مغامرات الرجل العنكبوت، ليست كلها محض خيال علمي في النهاية.

ثالثاً

إذا نظرت بعناية إلى تشريح عضلات الإنسان، ستجدها أن مجرد خيوط عضلية، تتكاتف مع بعضها البعض لإنتاج قوة تكفي لتحريك أو رفع الأثقال. في عام 2009 برهن البروفيسور تود بلاكليدج بأن خيوط العنكبوت لديها خصائص شبيهة بالعضلات. وهو بروفيسور من جامعة آكرون في أوهايو الأمريكية. فقام بوضع ورقة حشيش على خيط واحد فقط من خيوط العنكبوت. هذا الخيط لا يتعدى سمكه 0.006 ميلمتر، إذا تشكل تلك الورقة الصغيرة وزن كبير جداً على ذلك الخيط بمفرده. وحين قام البروفيسور من تعريض الخيط إلى موجات من الهواء الجاف والرطب، يقوم الخيط بالتقلص بفعل امتصاصه للرطوبة. هذا التقلص ينتج عنها قوة كفيلة برفع الورقة، مسافة واحد ميلمتر لفوق. إذا قارنت قوة ذلك الخيط مع قوة عضلة الإنسان، ستكون هي الأقوى بمقدار خمسين مرة، لأنها رفعت وزن أكبر من وزنها بكثير. ولو أننا جمعنا مجموعة من خيوط العنكبوت ليصلوا إلى أكثر من 90 خيط، وجدلناهم في خيط واحد، ستتضاعف قوة كل خيط إلى 30% أكثر. وذلك يجعل العلماء يفكرون في استغلال خيوط العنكبوت الطبيعية، في صناعة عضلات صناعية للإنسان.

رابعاً

خيوط العنكبوت قادرة على أن تكون إشعارات بيولوجية. فلو نظرت مثلاً إلى السيلكون أو غيره من المعادن الأخرى، تجد أنهم يمتلكون خاصية تسمى ” piezoelectric effect”. هذه الخاصية تعني أن لو المعدن تعرض إلى قوة ميكانيكية، سيقوم بإطلاق قوة كهربائية معادلة ويمكن قياسها. كذلك خيوط العنكبوت تمتلك تلك الخاصية الفريدة من نوعها. والشيء الأجمل أن الخيوط لديها خصائص بيولوجية، باعتبارها قادمة من مصدر حيواني وقابلة للتحلل. ولذلك فهي لن تسبب إزعاجاً للجهاز المناعي، ويفكر العلماء باستغلال تلك الخيوط بتوصيل الإشعارات البيولوجية الطبية.

قام العالم والطبيب أوليف مورفي، بعام 2013، بتصميم جهاز إشعار بيزوالكتروني، وأوصل الجهاز بقلب خنزير. وعند كل نبضة تخرج من قلب الخنزير، وتغير معها ضغط الدم، ترسل الخيوط إشعارات كهربائية يمكن استقبالها وقياسها على جهاز خاص من الخارج. ويعتقد العلماء أن تلك الخاصية هي من تسمح للعنكبوت بمعرفة أن هناك فريسة قد وقعت في شباكه. لأن خيوط العنكبوت ترسل له إشارات كهربائية مميزة.

خامساً

يفكر علماء الحاسوب في إنتاج ما يسمى بالسوبر كمبيوتر، وهو جهاز فائق الدقة والسرعة وقوة الذاكرة أيضاً وهو مستقبل الحاسب الآلي. ولكن من أجل فعل ذلك لابد أن ينتجوا أولاً سوبر Microchip، والحل هنا سيكون صنعها على قاعدة من نسيج خيوط العنكبوت الدقيقة. تقدمت بعام 2013، الباحثة نولين هيوبي من معهد الفيزياء الفرنسي في الرينيس، وهي باحثة في علوم الفيزياء الحديثة. وقامت بإنتاج خلايا فوتونية من نسيج خيوط العنكبوت، اعتماداً على خاصية الخيوط في تمرير الضوء وتوصيله. وذلك بعكس الاعتماد على الموصلات المعدنية العادية التي تنقل التيار الكهربائي. والخلايا الفوتونية قادرة على توصيل الضوء بموصلات من الفايبر، مما يجعل عملية الانتقال سريعة جداً وتزيد من كفاءة عمل الحاسوب، وسرعة الإنترنت كذلك. فوجدت الباحثة أن خيوط العنكبوت قادرة على إعطاء نفس القدرة والإمكانية بدون أن تفقد كثافتها مع الزمن. كما إنها قادرة على تغير الاتجاه بحيث يمكن للشريحة كلها أن تتواصل مع بعضها. وهي أيضاً تصلح للمسافات الطويلة والمتعرجة، وستكون بديل ممتاز للأسلاك العادية.

سادساً

تتميز البروتينات التي تتكون منها خيوط العنكبوت بأنها قادرة على الطوفان فوق المياه. فعلى عكس بروتينات الإنسان مثلاً، لا تتشابك نسبة البروتين الكريستالية التي تتكون منها الخيوط. ولكنها تنزلق جنباً إلى جنب مع بعضها، وبدون أي مقاومة. وبالتالي فإن العنكبوت لا يستهلك طاقة كبيرة لجعل الخيوط أطول أو أي خصائص أخرى يريدها لأنها لا تتشابك وتتعقد. وبفضل ذلك أيضاً تبقى على سطح المياه. ومن هنا جاءت فكرة استخدامها كشباك لصيد الأسماك بدون أن نؤذي البيئة المحيطة. فهي قادرة على التشبث بالأسماك، ويمكن أيضاً أن تتركها هناك وتتحلل بمفردها بدون أي مشكلة.

كل ذلك وتمتلك خيوط العنكبوت خصائص مدهشة أكثر. ويمكن استخدام تطبيقاتها في الطب والعلوم المختلفة. وهي قادرة على الوصول بدقة إلى الكثير من أعضاء الإنسان لمراقبتها أو التحكم في جرعات الدواء التي تصل إليها. كما أنها وبسبب خصائصها البيولوجية الطبيعية، قادرة على الارتباط ببروتينات العين أو بروتينات العضلات، للوصول إلى أدق التفاصيل، ومساعدة أشعة الليزر وتقويته في أداء وظائفه العلاجية في العمليات التي تجرى للعين. وكلها أشياء معقدة ودقيقة ولا يصلح لها سوى خيوط العنكبوت.

تصنيع خيوط العنكبوت

بعد معرفة تلك الخصائص العبقرية لخيوط العنكبوت، يأتي السؤال المهم، كيف يمكننا إنتاج كميات ضخمة من تلك الخيوط لاستغلالها؟ قد يقول أحدهم أن الطريقة الأفضل هي بتربية العناكب نفسها، ومن ثم جمع الخيوط منها، تماماً كما نفعل من أجل إنتاج أجود أنواع الحرير الطبيعي. ولكن المشكلة هنا أن العناكب لا تعيش في سلام مع بعضها بالشكل المطلوب. لأن العناكب عدوانية، وكل عنكبوت بمفرده ينتج كمية قليلة من الخيوط، غير صالحة للاستخدام الصناعي أو التجاري. فتجد مثلاً أنثى العنكبوت التي تسمى بالأرملة السوداء، تلك الأنثى تأكل الرجل بعد عملية التلقيح. مع علم أن الرجال يعرفون ذلك، ويميزون أيضاً من أكلت مؤخراً من بينهن، حتى يأملوا في أن يخرجوا أحياء من شباكها.

وفكرة إنتاج خيوط العنكبوت صناعياً لن تأتي بالفوائد المرجوة، لأنها لن تكون من مواد طبيعية بيولوجية كما التي تصنعها العناكب نفسها. يتبقى حل أخر عند العلماء، وهو نقل الجينات المسئولة عن تخليق البروتينات اللازمة لصنع الخيوط، إلى حيوان أخر يسهل التعامل معه. كالخرفان مثلاً أو الماعز، لينتجوا هم الخيوط بدلاً من العناكب. أو نقل تلك الجينات إلى نبات، كالبطاطا مثلاً أو أنواع معينة من نبات التبغ. وكلها تخدم فكرة إنتاج نفس الخيوط بخصائصها المهمة، وبكميات كبيرة، ومن كائن حي يسهل التعامل معه بشكل أفضل.

بداية التصنيع

كانت البداية الأولى مع علماء من كندا. وذلك بعام 2002 وكانت خيوط منتجة صناعياً، وتم تسميتها بيوستيل، أي البيولوجي الصلب. وكانت عملية معقدة وغير مجدية.

في عام 2007، قام الباحث الصيني نينغ لي، بأولى خطوات تصنيع خيوط العنكبوت بشكل فعال. وذلك بنقل الجنيات المسئولة عن تصنيع بروتين الخيوط إلى الماعز. فكان الماعز ينتج نفس البروتين المطلوب مع الحليب. وينتجه بكميات كبيرة كافية لنسج الخيوط من ذلك البروتين. ولكنها لم تكن بجودة الخيوط المطلوبة، المشكلة أن العنكبوت ينسج خيوطه من نوعين مختلفين، يخرجوا من ستة غدد موجودة في مؤخرة ذلك العنكبوت. في البداية تخرج الخيوط على شكل سائل، وكأنها عصارة تخرج من الغدد. بعدها تتجمد حين تتعرض إلى الهواء، فيمكن للعنكبوت أن يسحب الخيط بقدمه الخلفية إلى الخارج، ليصنع سنتمتر واحد في كل ثانية. ولكنه لو ثبت طرف الخيط في جذع شجرة مثلاً، وامسك بالخيط لينزل بسرعة من فوق، فيمكنه أن يخرج الخيط بسرعة أكبر عشر مرات.

تدخل عوامل كثيرة مهمة في طريقة إنتاج العنكبوت لخصائص الخيوط التي يرغب بها هو. مثل سرعة الإنتاج، الرطوبة، الحرارة، الحموضة، وغيرها الكثير من العوامل التي تتعرض لها الخيوط في لحظة الإنتاج نفسها. ولذلك يمكن للعنكبوت التحكم في خصائص الخيوط، لتصبح كل غدة متخصصة في إنتاج نوع معين. مثلاً نوع لنسج إطار الشبكة، الذي يجب أن يكون متين ولكن أقل مرونة. نوع أخر لنسج الخيوط التي سوف تثبت الشبكة على الشجرة من أجل صيد الفريسة، ويجب أن تكون قوية كفاية لحمل ثقل الفريسة. نوع أخر من خيوط العنكبوت ينتجها ليكون بها الشبكة من الداخل، فتكون مرنة أكثر ومطاطية ولكنها أقل في القوة، أو تملك خصائص لزجة. كل تلك الأنواع والعوامل وطرق إنتاجها التي يملك فيها العنكبوت مهارة كبيرة جداً، هي معضلة كبيرة وتحير العلماء لو أرادوا صنعها في المختبرات، لأنها معقدة ودقيقة جداً.

بعام 2012، قام العالم راندولف لويس من جامعة فويمينغ الأمريكية، بتجربة أخرى لإنتاج خيوط العنكبوت عن طريق تكنيك يسمى “الغزل المبلل”، وهو يقوم بغزل الخيوط بعد الالتماس مع الأكسجين في الهواء. إلا إن الخيوط المنتجة كانت أقل في القوة والمطاطية بنسبة 50%، وليونتها قليلة جداً مقارنة بالطبيعية. ولكن بعام 2013 تعمق أكثر في دراسته، وتوصل إلى أجزاء صغيرة من تركيب السلسة البروتينية الخاصة بالخيوط. وعندها تمكن من التحكم ولو قليلاً بمدى خصائص القوة أو المرونة التي يريدها في الخيوط.

بالنهاية عزيزي القارئ، لابد أن تثق أن العلم يتطور يومياً، ويمكن في هذه اللحظة التي تقرأ فيها المقال يكون أحد العلماء قد تمكن من إنتاج خيوط العنكبوت بشكل فعال وبكميات أكبر. ولكن المستقبل يحمل بالتأكيد حديث أخر وتطبيقات أخرى غير متوقعة لخيوط العنكبوت. وتبقى الطبيعية تثبت للإنسان في كل يوم أنها الأصلح من كل مجهوداته داخل المختبر، وبأنها الأقوى والأفضل، وما عليه سوى أن يتعلم كيف يطوعها لأمره، لا أن ينافسها.