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Teia do Homem-Aranha: Realidade ou Fantasia?



Primeira aparição do herói (1962)
          Quando o adolescente e estudante Peter Parker veste sua roupa apertada e estilosamente pintada de azul e vermelho, você já sabe o que esperar: piadas cretinas, vilões irritados e muita pancadaria! Criado na década de 1960 pelo editor-roteirista Stan Lee e pelo artista-roteirista Steve Ditko, o super-heroi Homem-Aranha acabou se tornando um dos personagens mais populares do universo dos quadrinhos. Basicamente, a história do heroi se resume em um adolescente órfão (criado pelos tios, Ben e May) sendo picado por uma aranha radioativa e adquirindo poderes fantásticos, os quais incluem superforça, agilidade, capacidade de se aderir nas paredes pelas pontas dos dedos e uma espécie de sexto sentido para o perigo. Em outras palavras, essas seriam as habilidades de uma aranha genérica ampliadas para uma escala humana - com exceção do sexto sentido, claro. Bem, obviamente, tudo não passa de uma ficção fantasiosa, mas um detalhe marcante desse personagem chama bastante a atenção da real ciência moderna: a teia que sai do seu lançador! Será que ela foge tão da realidade assim quando comparada com uma teia real? E seria necessário que o Parker inventasse um material especial para suportá-lo pelos seus balanços entre os prédios e suas quedas?

           Nos quadrinhos, Peter Parker é praticamente um gênio da química e consegue criar um material parecido com uma teia de aranha: uma mistura líquida que quando esguichada e em contato com o ar atmosférico se solidifica. Mas tende a ser natural nós pensarmos que o material produzido pelo dispositivo do lançador de teia do personagem ser apenas uma criação fantasiosa, já que um material orgânico do tipo não chegaria perto das propriedades retratadas nos quadrinhos, ou seja, permitir manobras loucas no ar e possuir uma extrema resistência. E é aqui que você se engana! As teias das aranhas da vida real são um dos materiais mais resistentes que se conhece e sua aparente fragilidade é apenas porque a espessura dos fios compondo as mesmas é muitíssimo pequena. Além disso, sua capacidade de absorver energia cinética é muito grande ( alta tenacidade, devido à alta força de tensão e elasticidade). O Homem-Aranha poderia, de fato, disparar reais teias porque elas, além de poderem ser adesivas (nesse caso, teias de captura, possuidoras de colas glicoproteicas), também são super fortes, muito flexíveis e amortecedoras. Com uma ou outra suspensão de descrença, o Peter Parker teria "apenas" que descobrir como as aranhas criam suas teias a partir das suas glândulas e imitar o processo no seu dispositivo. Apesar dos cientistas de hoje ainda não terem conseguido essa proeza, se torna mais plausível um estudante do colegial ter criado algo tão fantástico quanto a substância do seu lançador de teia: as aranhas já a produzem!
Será que a poderosa teia do Homem-Aranha foge tanto da realidade de uma real teia? Seria necessário ele carregar o seu dispositivo com outro tipo de material?

           Milhões de anos de evolução permitiram que as teias das aranhas ganhassem uma ampla variedade de usos entre esses aracnídeos, especialmente quando a tarefa é capturar presas. As teias, por sua vez, são produzidas por glândulas derivadas de células epiteliais e constituídas por fios de seda compostos por um polímero proteico, cuja proteína base é a fibroina. A estrutura organizacional multinivelada desses fios de de seda conferem suas propriedades mecânicas únicas, como alta força de tensão e alta tenacidade. Apesar dos cientistas já serem capazes de produzir um material polimérico sintético com uma estrutura química similar a esses fios, o mesmo é bastante inferior em qualidade mecânica, por possuir uma falta de hierarquia estrutural e nanofibras cristalinas com uma determinada orientação que ainda são apenas alcançadas pelo maquinário de teias das aranhas. E, para completar a beleza desses materiais, a feitura desses fios é dada em temperatura e pressão ambientes, usa como solvente apenas água, e resulta em um material muito pouco denso ("leve") e bastante flexível. É um material dos sonhos na natureza. E tudo o que o Peter Parker precisa para tornar seu meio de transporte e arma de luta o mais prático possível!


Entre os animais que produzem seda, como o bicho-da-seda, as aranhas são os únicos representantes em que um indivíduo pode tecer diferntes tipos desse material, dependendo da necessidade de momento (inclusive, uma típica teia costuma ter, no mínimo, 5 diferentes tipos de fios); o fio de seda das aranhas são formados por três tipos de uma proteína chamada fibroina: fibroina de cadeias pesadas (cadeia-H), fibroina de cadeia leve (cadeia-L) e proteína fibrohexamerina (fhx/P25); acredita-se que a cadeia-H seja a principal responsável pelas propriedades mecânicas da seda

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          Mas até agora não demos uma dimensão do poder dos fios de teia das aranhas, certo? Bem, meu caro, então vamos ir para uma das famílias de aranhas mais estudadas, e cujo segredo bioquímico é um dos grandes sonhos de consumo dos cientistas: Araneidae. Englobando mais de 3 mil espécies divididas em 170 gêneros, os fios de seda produzidos pelos aracnídeos dessa família possuem atributos mecânicos assombrosos. Gêneros como o Nephila e o Araneus detêm espécies que produzem teias com fibras possuindo tenacidade superando em 3 vezes as fibras de aramid ( matéria-prima do Kevlar, por exemplo, usado em coletes a prova de bala) e cerca de 5 vezes mais forte do que o aço (Ref.2)

  
           E dentro da família Aranidae, encontramos um prodígio: a espécie Caerostris darwini. Descoberta em 2009 e encontrada em Madagascar, África, elas são as únicas conhecidas que constroem teias acima de cursos de água, como rios e lagos ( de forma quase exclusiva), e de enormes dimensões. Apesar das fêmeas dessa espécie não passarem muito dos 1,5 cm de comprimento, pesarem em torno de 0,5 gramas e terem os machos 10 vezes menores, essas aranhas são responsáveis pelas maiores teias do mundo. A área circular das teias chega a ter 2,8 metros quadrados (B) e os fios ´pontes´ que mantêm a estrutura suspensa pode cobrir os 25 metros de comprimento (A)! Para que essas imensas construções fiquem estáveis e minimizem os danos causados pelas adversidades climáticas e esbarrão de animais (incluindo as presas), os fios de seda da sua estrutura possuem propriedades mecânicas
mais do que impressionantes.

         Experimentos (Ref.3) já mostraram que a tenacidade ( quantidade de energia mecânica necessária para provocar uma fratura em um material) dos fios de seda mais poderosas da darwini possui um valor entre 350 e 500 MJ/m3! Como comparação o Kevlar possui uma tenacidade em torno de 50 MJ/m3. Em termos de força de tensão ( basicamente, o quanto de carga é suportado no sentido de esticar o material), o valor pode ultrapassar os 1800 MPa. Em outra comparação, o aço comum possui uma força de tensão em torno de 400 MPa. Além de tudo isso, esse fio possui uma densidade menor do que o feito por outras aranhas e uma capacidade elástica duas vezes maior.
 
Os fios produzidos pela C. darwini chegam a ser 10X mais poderosos do que o Kevlar!
    
           Por isso há duas décadas os cientistas perseguem com entusiasmo uma forma de produzir em largas quantidades os fios de seda das aranhas. Criar aranhas para tirar sua seda é trabalhoso e rende quantidades muitos baixas do material, diferente da seda produzida pelos bichos-de-seda, por exemplo. Genes responsáveis pela produção das proteínas que constituem esses fios já foram identificados e até expressos em cabras para o leite desses animais produzissem a proteína. Mesmo nos últimos anos os cientistas tendo acesso às proteínas, ainda não se consegue chegar ao processo certo de feitura dos fios de teia, como mencionado anteriormente. Outras estratégias estão sendo tentadas como, por exemplo, o que foi feito em um estudo de 2014, onde bichos-de-seda receberam o gene de proteína da espécie de aranha Araneus ventricosus ( outra possuidora de poderosas teias, e cuja tenacidade dos fios, sob certas taxas de tensão, pode alcançar os 1000 MJ/m3!, segundo alguns reportes científicos). Com essa estratégia, os pesquisadores conseguiram uma seda com 53% mais tenacidade do que o normal (Ref.2). Outra aproximação são as tentativas de criar materiais muito parecidos com os fios de teia ou até superiores, guiando-se pelas estruturas químicas elaboradas pelos aracnídeos.

Qual o segredo delas?

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         Bem, mas nada mais natural do que um gênio da química nos quadrinhos descobrir a chave desse mistério. E mais: com o Peter Parker usando reais teias, a cidade nem sofreria com a poluição, já que elas são biodegradáveis! Nosso ´Amigão da Vizinhança´ ainda seria também o ´Amigão do Verde´. Mas aqui também entra um problema. Não basta apenas descobrir como produzir os fios de seda das aranhas, como também é necessário que o Homem-Aranha os libere como um jato de mínima espessura para o uso durante suas patrulhas. Porém, isso é complicado, já que existe a necessidade do solvente (água) saia da mistura proteica enquanto é liberado do dispositivo. No caso dos fios das aranhas, isso é bem mais fácil por causa da altíssima superfície de contato dos mesmos, já que a ínfima espessura deles torna rápido a passagem de água para o ar atmosférico. Ou o Peter usa outro processo de fabricação dos fios, aplicando um solvente muito volátil ( algo que provavelmente não daria certo, ainda mais considerando toda a complexidade de feitura desses materiais) ou ele usa um disparador ultra sofisticado que permite o disparo de inúmeros pequenos filetes da mistura líquida que se unem depois de solidificados em um fio mais grosso para o Cabeça-de-Aranha usar. Bem, ou o Peter também é um gênio da engenharia mecânica, ou  ele teve uma ajuda secreta do Tony Stark...:)



CURIOSIDADE: Você já reparou que quando uma aranha está usando sua teia para descer do teto, por exemplo, até o chão - no estilo "Missão Impossível" - ela o faz de forma bem graciosa e estável, sem sair espiralando de forma incontrolável (rodando em volta de si)? Sim, porque o esperado era a teia se comportar como uma corda normal ou um fio de metal e forçar a aranha a descer rodando, devido às forças de torção. Ou seja, outra habilidade fantástica dos fios de teia!

         Esta semana (08/07/17), um estudo publicado no Applied Physics Letter (Ref.17) mostrou que os fios de teia conseguem dissipar energia que, caso contrário, iria excitar a aranha a rodopiar na extremidade desse fio quando descendo dependurada no mesmo. Diferente de fibras sintéticas e metais, os fios das aranhas deformam um pouco quando torcidas, fazendo com seja liberado mais de 75% da sua energia potencial e, consequentemente, que as oscilações rapidamente diminuam. Após a torção, a teia parcialmente volta ao seu estado inicial.

          Os pesquisadores responsáveis pelo estudo suspeitam que este estranho comportamento mecânico esteja ligado à complexa estrutura física da teia, a qual consiste em um núcleo de múltiplas fibrilas. Cada fibrila possui segmentos de aminoácidos em lâminas organizadas e outras em cadeias repetitivas desestruturadas. Uma força de torção aplicada faria com que as lâminas se flexionem como elástico, entortando as ligações de hidrogênio entre as cadeias e deformando a estrutura dessas últimas como plástico. As lâminas podem recuperar seu forma original, mas as cadeias permanecem parcialmente deformadas.


         Entender melhor esse mecanismo de resistência dos fios ao espiralamento pode levar à aplicação dessa propriedade em fibras biomiméticas para otimizar cordas de violino, escadas de resgate em helicópteros, cordas de para-quedas, etc.


ATUALIZADO 08/0717


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REFERÊNCIAS CIENTÍFICAS
  1. http://digitalcommons.usu.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1019&context=biology_posters
  2. http://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0105325
  3. http://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0011234
  4. http://web.mit.edu/mbuehler/www/papers/Nature_Materials_2013_web.pdf
  5. http://www.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev-ento-031616-035615
  6. http://www.bbc.com/earth/story/20151126-the-worlds-biggest-spider-web-can-span-an-entire-river
  7. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.biomac.5b00226
  8. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1751616116304258 
  9. http://web.mit.edu/mbuehler/www/ 
  10. http://link.springer.com/referenceworkentry/10.1007/978-94-007-6178-0_269-2
  11. http://science.sciencemag.org/content/295/5554/472 
  12. http://www.nature.com/nature/journal/v424/n6952/abs/nature01809.html
  13. http://rspb.royalsocietypublishing.org/content/263/1367/147.short
  14.  http://www.nature.com/nmat/journal/v15/n10/full/nmat4697.html
  15. http://science.sciencemag.org/content/291/5513/2603 
  16. http://www.nature.com/nature/journal/v410/n6828/abs/410541a0.html
  17. http://dx.doi.org/10.1063/1.4990676