クモの糸は非常に脆いにもかかわらず、なぜ鋼鉄よりも強いのでしょうか?

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クモの糸は、最も耐久性の高い天然素材として古くから知られています。中には、鋼鉄の5倍もの強度を持つ糸を生産するクモもいます。例えば、ドクイグモは鋼鉄の5倍もの強度を持つ糸を生産します。しかし、クモの糸はなぜあんなに脆そうに見えて、これほど驚異的な耐久性を持つのか、疑問に思う人もいるでしょう。これは科学者たちを悩ませてきた疑問でもあり、最近になってようやくその答えが明らかになりました。

クモの糸は独特な構造をしている

クモ糸は、クモが作り出すタンパク質繊維です。クモは糸を使って網を作り、獲物を捕らえたり、卵や幼虫を守ったりします。この糸の強固な構造により、クモは自分の何倍もの大きさの獲物を捕らえることができます。

最近、ウィリアム・アンド・メアリー大学応用科学部の研究者たちは、原子間力顕微鏡を用いて、ドクイトグモが卵を守り獲物を捕らえるために作り出す糸の微細構造を観察しました。その結果、人間の髪の毛よりも細いクモの糸1本1本が、実際には直径わずか20ナノメートル、長さ約1マイクロメートルの数千もの異なるナノファイバーで構成されていることが明らかになりました。

ナノファイバーは一見長くないように見えますが、元の長さの50倍以上に伸びます。この構造により、クモの糸は非常に強靭で丈夫になり、同じサイズの鉄棒の最大5倍の強度と耐久性を誇ります。

これまで世界中の科学者がクモの糸はナノファイバーでできていると主張していたが、この発見が科学誌ACS Macro Letters（米国）に掲載されるまでは確固たる証拠はなかった。

ドクイトグモの糸は、他の多くのクモのように円筒形ではなく、平らなシート状に配列されたナノファイバーでできているためです。これにより、科学者は原子間力顕微鏡を用いて観察しやすくなります。

この発見は、チームが2017年に行った研究に新たな知見を加えたもので、ドクイトグモが特殊なループ技術を用いて糸を強化する仕組みを実証しています。まるで小型のミシンのように、ドクイトグモは1ミリメートルの糸を紡ぐごとに約20本のナノファイバーを織り込み、糸が切れないように強化しています。

全体の構造を維持するために、クモの糸が「犠牲」になります。

分子力学の専門家たちは、ヨーロッパグモAraneus diadematusや網を張るジョロウグモNephila clavipesなど、様々なクモ種の巣を研究してきました。糸を分子レベルで研究することで、クモの巣の強度を説明できることを発見しました。

ビューラー博士は、個々のシルク繊維が全体の構造を維持するために「犠牲にされる」ことがあると説明します。 「シルク繊維が引っ張られると、力が増すにつれて分子構造が伸び、繊維自体が伸びるのです」と彼は言います。

この変化は4段階で起こります。第一段階ではフィラメント全体が引き伸ばされ、次にタンパク質が「展開」する緩和段階が続きます。第三段階では、フィラメントは最大の力を吸収する硬直状態になります。フィラメントが破断する前の最終段階を、ビューラーはテープを剥がす動作に例えています。タンパク質は粘着性のある水素結合によって結合しているため、フィラメントを破断するには大きな力が必要です。

「蜘蛛の巣の強さは、絹糸の強さだけでなく、引っ張られたときにその機械的特性がどのように変化するかによっても決まります」とビューラー博士は述べています。

トゥエット・アン（出典：Synthesis）

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