Khám phá nguyên tắc kỳ diệu của lưới nhện

Giáo sư Toán học Antonio Morassi từ Đại học Udine (Ý) nhận xét: “Lưới nhện là một cấu trúc tự nhiên, rất nhẹ và mảnh, nhưng có sức mạnh siêu lớn so với khối lượng của nó. Cho đến nay, chúng ta vẫn chưa lập được một mô hình cơ học nào mô tả bản chất của hệ thống rung hai chiều này”.

Lưới nhện đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học trong nhiều thập kỷ. Các kỹ sư và nhà toán học quan tâm đến các nguyên tắc cấu trúc của mạng nhện; các nhà hóa sinh và hóa học muốn biết thành phần và khả năng ứng dụng của lưới nhện vào thực tế; các nhà tiến hóa tìm hiểu cách nhện học hỏi việc dệt lưới…

Các nhà khoa học hy vọng những thí nghiệm này sẽ giúp con người “sao chép” các phát minh của tự nhiên để ứng dụng. Như vào tháng 7 vừa qua, di truyền học đã giải mã thành công bộ gen của loài nhện Madagascar - dệt lưới săn mồi bền nhất trên Trái đất - và phát hiện ra một loại protein độc nhất làm cho lưới săn của chúng bền vững gấp 10 lần sợi Kevlar (một loại sợi tổng hợp aramid siêu bền sử dụng trong áo chống đạn).

Giáo sư Morassi và đồng nghiệp Alexandre Cavanaugh từ Đại học São Paulo (Brazil) đã tìm ra lời giải toán học cho một trong những bí ẩn sinh học - làm thế nào những con nhện gần như ngay lập tức xác định được nạn nhân rơi vào vị trí nào trên lưới nhện, và phân biệt con mồi với gió thổi, cành lá cây rơi ngẫu nhiên.

Lưới nhện được dệt từ các sợi tơ xuyên tâm và xoắn ốc, có thành phần và chức năng khác nhau. Tơ xoắn bao gồm một loại tơ mềm, dính không cho nạn nhận thoát khỏi lưới săn. Các sợi xuyên tâm bao gồm biến thể đặc biệt bền vững của các sợi protein giữ lưới nhện đúng vị trí và không bị biến dạng.

Trước đây, các nhà toán học đã cố gắng hình dung lưới nhện là cơ cấu một chiều, tiếp nhận các rung động lan truyền do “con mồi” hoặc các quá trình ngẫu nhiên tạo nên. Những mô hình này mô tả tốt cách thức các dạng biến động khác nhau phát sinh, nhưng không thể giải thích cụ thể làm thế nào kẻ ăn thịt tám chân xác định được dạng rung động và định vị nguồn rung động.

Cavanaugh và Morassi đã giải quyết vấn đề này bằng cách trình bày lưới nhện như một loại màng rung hai chiều, bao gồm nhiều sợi đan xen của hai loại. Các loại rung động khác nhau lan truyền trên bề mặt của màng này. Cách tiếp cận này cho phép họ đặt mình vào vị trí của một con nhện đang giấu mình ở trung tâm lưới săn, để hiểu cách con nhện “nghe thấy” nạn nhân, gió và các nguồn rung khác.

Các tính toán cho thấy kẻ đi săn xác định vị trí của con mồi bằng cách so sánh lực căng của các sợi xuyên tâm khác nhau thay đổi truyền qua các chân của nó. Theo các nhà nghiên cứu, 8 chân của con nhện hoàn toàn đủ để xác định đồng thời nguồn dao động và hiểu vật gì tạo ra những rung động đó.

Theo Morassy, các nguyên tắc toán học như vậy có thể được áp dụng để tạo ra các cảm biến áp suất siêu nhạy và nhiều cảm biến khác về nguyên tắc tương tự như một lưới nhện, để giải quyết các vấn đề thực tế.

Trong cuộc săn mồi để cung cấp năng lượng cho cơ thể, loài nhện Hyptiotes cavatus ở Bắc Mỹ sử dụng tơ nhện để phi thân về phía con mồi. Để làm điều này, đầu tiên nó nhả tơ, sau đó, nếu nạn nhân chỉ chạm sợi tơ, kéo sợi tơ căng ra khi bay tiếp thì chính tính đàn hồi của sợi tơ sẽ giúp nhện tiếp cận con mồi.

Chiều dài thân hình không quá một centimet, Hyptiotes cavatus rõ ràng là con vật không có gì đặc biệt, ngoại trừ việc nó dệt một mạng lưới hình tam giác. Tuy nhiên, ấn tượng là khi con mồi rơi vào lưới săn, nó không đợi con mồi bị dính vào lưới, cũng không chạy đến để “bao gói” nạn nhân, Hyptiotes cavatus thu sợi tơ rồi “lao mình” về phía nạn nhân để tóm gọn mồi.

Với cách săn bắt như vậy, Hyptiotes cavatus sử dụng không quá nhiều sức mạnh cơ bắp, mà chủ yếu lợi dụng độ đàn hồi của sợi tơ. Để kiểm tra giả thuyết này, các nhà khoa học đã thả một vài con nhện vào môi trường sống mô phỏng điều kiện tự nhiên (Terrarium). Họ thả con ruồi giấm (Drosophila) vào lưới săn bắt của Hyptiotes cavatus và quay video quá trình săn bắt của nó.

Khi con ruồi chạm vào lưới, con nhện giải phóng sợi thứ hai và chiếc lưới săn hình tam giác được kéo căng, giống như dây cung, văng ra với gia tốc 772 m/s bắn con nhện về phía trước. Do sức căng thực tế của lưới đang lớn, các sợi tơ co nhanh lại. Con nhện treo mình trên sợi tơ này chỉ di chuyển khoảng 3 cm và tiếp cận nạn nhân chỉ trong vòng 5 mili giây.

Các nhà nghiên cứu đã tính toán lực kéo của lưới. Nếu con nhện không sử dụng độ đàn hồi của các sợi tơ, mà kéo căng lưới giống như một ngư dân đánh cá, thì cơ bắp của nó sẽ không đủ sức mạnh để thực hiện săn mồi (bởi lực này vượt quá 20 lần sức cơ bắp của con nhện. Theo các nhà khoa học, giống như con người sử dụng máy bắn tên (balistarum), máy bắn đá (catapulta), súng cao su, Hyptiotes cavatus, giống như bọ chét hay tôm tít (Odontodactylus scyllarus), biết sử dụng những tính năng không phải của cơ thể mình để tăng cường sức mạnh của chính mình.