Quando guardiamo un film o leggiamo un fumetto di Spiderman, stiamo assistendo a una rappresentazione verosimile della realtà? Come sarebbe Spiderman nella vita reale? Cerchiamo di rispondere con un po’ di scienza. Partendo dalla composizione della ragnatela e passando per le modificazioni corporee provocate dalla mutazione, arriveremo alle sfide meccaniche che una ragnatela deve affrontare per resistere alle gesta eroiche del nostro “amichevole Spiderman di quartiere”.
Nozioni dalla natura
La regnatela è una sottile tela prodotta da una serie di artropodi, in maniera molto diversificata. Costituita da fili microscopici, è utile a vari scopi, primo fra tutti quello di procacciarsi cibo.
Il bello è che la capacità di filare la tela si è evoluta indipendentemente in diversi artropodi circa 400 milioni di anni fa!
Gli insetti, infatti, producono un loro particolare tipo di seta e lo fanno solo in una fase della loro vita. I ragni, invece, producono più tipi di seta durante la tutta la loro vita. Queste sete hanno evoluto sequenze proteiche e condizioni di lavorazione simili, ma si distinguono per la funzione che svolgono. Per esempio, esistono secreti più collosi adatti a trattenere le prede, altri più indicati per immobilizzarle e conservarle, altri ancora usati a scopo riproduttivo per la deposizione delle uova.
Sono particolarmente resistenti: il loro carico di rottura, cioè il peso che possono sopportare prima di spezzarsi, è paragonabile a quello dell’acciaio di alta qualità, circa 1,3 – 1,65 GPa (GigaPascal, miliardi di Pascal), a fronte di una densità e un diametro molto inferiore rispetto all’acciaio. Inoltre, questi fili possono allungarsi per più di un quinto della loro lunghezza prima di spezzarsi[3].
Biochimica in gioco
Il costituente principale della seta grezza prende il nome di fibroina, una proteina fibrosa costituita da catene polipeptidiche quasi totalmente in conformazione β (β-foglietto) con disposizione antiparallela.
La sua sequenza primaria è caratterizzata dalla presenza di molti residui degli amminoacidi alanina e glicina. L’elevata percentuale di glicina permette di formare un foglietto β molto compatto, che contribuisce alla rigidità della struttura della fibroina e alla genesi della tipica forza della fibra di seta. La struttura è ulteriormente stabilizzata da legami deboli come i legami a idrogeno e le forze di van der Waals, che la rendono allo stesso tempo flessibile[1].
Esistono diversi piani di allineamento di questi filamenti proteici; un aspetto rilevante, traducibile nel fatto che la seta di ragno ha una struttura multilivello, costituita da più tipi di proteine. Il segreto dell’incredibile resistenza meccanica sta nella generazione di diverse geometrie che concorrono nell’insieme ad aumentare la forza del materiale.
A differenza di altri complessi proteici, come il collagene o la cellulosa, che vengono assemblati nelle loro conformazioni terziarie e quaternarie direttamente durante il loro processo di formazione, le sete vengono “filate” sfruttando delle sezioni di taglio strategiche in combinazione con primer chimici così da promuovere l’autoassemblaggio molecolare, con un risultato straordinariamente preciso. È di estrema importanza che questi sistemi ricorrano a un intelligente metodo di auto-assemblaggio, guidato da un’elasto-capillarità (ovvero la capacità delle forze capillari di deformare un materiale solido), dovuta sia allo strato acquoso presente che alle proprietà elastiche del filo[2].
Poiché tali sistemi usano cariche elettrostatiche per trattenere le prede, è verosimile pensare che anche un ipotetico Spiderman nella vita reale abbia dei metodi comparabili come assi nella manica.
Organi speciali
La filiera è l’organo specializzato dei ragni, di forma conica, che serve a secernere la seta. Queste filiere sono il punto di uscita del secreto filamentoso di ghiandole della seta addominali, le ghiandole sericigene. All’aria la seta, finora liquida, solidifica in poco tempo, non prima però che il ragno abbia la possibilità di distenderla e lavorarla secondo i propri scopi[3].
Fabbrica della seta
Prima di tutto, è necessario analizzare come Spiderman produce le sue ragnatale. Facciamo un piccolo appunto: gli adattamenti cinematografici ci propongono vari metodi con i quali Spiderman produce le ragnatele, scelte prettamente stilistiche e di regia. Per questo articolo daremo per buono che vengano emesse dai polsi, come secrezione biologica (in riferimento allo Spiderman di Tobey Maguire).
Alla luce delle argomentazioni finora esposte, la domanda sorge spontanea: dove sono situate le ghiandole della seta? Questo particolare materiale richiede del tempo per essere sintetizzato e inoltre, considerando la massa del supereroe, le ghiandole dovrebbero avere delle dimensioni ragguardevoli per produrre una quantità sufficiente di ragnatela e soddisfare gli ampi utilizzi che Spiderman ne fa per combattere il crimine (e/o per mero divertimento).
Un altro aspetto da tenere presente è che il materiale filabile è un aquamelt. Si tratta, cioè, di un polimero idratato che è in grado di solidificarsi a temperature ambientali attraverso un input di stress controllato. Quindi almeno la metà della sua massa è composta d’acqua, che verrebbe persa o riciclata durante l’estrusione.
Questo significa che le ghiandole dovrebbero avere delle dimensioni troppo massicce e ingombranti per essere situate sulle braccia e i condotti dovrebbero essere piuttosto lunghi. Pertanto, il tutto sembra indicare che in un ipotetico Spiderman nella vita reale le sue ghiandole della seta dovrebbero essere situate nel suo torace[4].
Resistenza della ragnatela
Altra domanda lecita: quanto dovrebbe essere forte questa seta di Spiderman, nella vita reale? Dipende dalle caratteristiche della seta che quest’ultimo produce. Molto è condizionato dalle proprietà tensili e vibratorie dei fili, che sono regolati man mano che vengono “fabbricati”, fino ad acquisire una forza sovraumana con diametro decrescente.
Per capire meglio, facciamo qualche considerazione pratica.
Fisica in gioco
Il soggetto in questione è un maschio abbastanza snello (circa 75 Kg) e con un’altezza nella media. Per di più è solito trasportare altre persone con sé (che sia Gwen Stacy o MJ!).
Ricordiamo dalla fisica che F=ma, che per la forza peso si può scrivere come P=mg.
Nelle sue acrobazie molto spesso si trova a oscillare idealmente come un pendolo, sottoposto pertanto a un moto armonico. Trattandosi, inoltre, di un corpo vincolato a una fune che può percorrere traiettorie circolari, va presa in esame la forza centripeta. L’origine della forza centripeta può essere molto diversa, e in questo caso la si può far corrispondere alla tensione del filo in rotazione cui è appesa una massa.
Alternativamente, potremmo prendere come riferimento un sistema non inerziale e quindi valutare la forza centrifuga, che è una forza apparente. Tuttavia, il risultato sarebbe il medesimo. Tutto ciò, serve a capire come la seta di Spiderman debba essere in grado di sopportare, oltre la forza peso, un numero non indifferente di forze derivanti dal movimento del corpo.
Al fine di non offendere la sensibilità di nessuno, preciso anche che in questa approssimazione semplicistica ho tralasciato la forza elastica esercitata della ragnatela, l’attrito dell’aria ecc.
Quindi, considerando l’aggiunta di una possibile compagnia, il filo dovrebbe essere in grado di sostenere pesi apparenti che possono perfino raggiungere una tonnellata! Dato che la resistenza alla trazione offerta da un normale filo di ragno si aggira mediamente intorno a 1,5 GPa, la tela prodotta da Spiderman per far fronte a tutte le sue necessità deve essere anche piuttosto spessa. Una ragnatela “superiore” per intenderci.
E lasciatemi esporre un’ultima curiosità sull’argomento: ci sono ragni che sfruttano la forza di richiamo elastica per spostarsi o sollevare pesi veramente degni di nota. Questo Spiderman lo sa bene, perché è intelligente, è furbo e deve sconfiggere il nemico. In molti momenti epici i più attenti potranno notare come utilizzi la forza elastica a suo vantaggio, proprio come succede effettivamente in natura.
Con la fisica mi fermerò qui. Per maggiori approfondimenti consiglio la lettura de “La fisica dei supereroi” di James Kakalios.
Ibridazione tra specie incrociate
Le mutazioni responsabili della fusione genetica tra uomo e ragno hanno portato a un modo di filare la seta che è nuovo per la natura come la conosciamo?
Il sistema con cui un ipotetico Spiderman nella vita reale sarebbe capace di produrre la sua ragnatela dovrebbe essere derivato da un papabile antenato aracnide, che sappiamo non esistere in quanto è un organismo mutato (o comunque evoluto in un arco di tempo brevissimo).
I ragni finora conosciuti si muovono sfruttando la trazione, un’azione comune a tutti gli animali che filano, per esempio i bachi da seta delle falene, gli pseudo-scorpioni e gli acari. Invece Spiderman sembra usare più una la spinta che deriva dai suoi stessi movimenti.
Qualunque sia il mix di elementi che ha portato a produrre una seta come fa Spiderman, dal punto di vista energetico, sembra essere una soluzione interessante, un’importante lezione da riportare nell’uso pratico[4].
Di più realistico possiamo affermare che, data la diversità delle proprietà della seta, le varianti sono una risorsa eccellente per ispirare nuovi biopolimeri.
La natura ha evoluto questi materiali in centinaia di milioni di anni di tentativi ed errori, questo sta ora fornendo stimoli per la ricerca e lo sviluppo di materiali industriali.
Referenze
- David L. Nelson, Michael M. Cox, I Principi di Biochimica di Lehninger, 3° ed., Bologna, Zanichelli, febbraio 2002, ISBN 88-08-09035-3.
- Elettro, H., Vollrath, F., Antkowiak, A. and Neukirch, S. (2015) Coiling of an elastic beam inside a disk: A model for spider-capture silk. Int. J. Non-Linear Mechanics 75, 59–66.
- Hickman C. P., Roberts L. S. et al. – Zoologia, 16° ed., Milano, McGraw-Hill, 2016, ISBN 978-88-386-1538-2.
- Vollrath, Fritz. “Spiderman silks–science and fiction.” The Biochemist 37.6 (2015)
