Этот отряд членистоногих вызывает к себе неоднозначное отношение. Большинство людей недолюбливает пауков, и неприязненно смахивает паутину, если она имела неосторожность повстречаться на пути. А между тем, использование паутины в медицинских целях, и не только, позволяет отнести ее к разряду интересных, необычных, экологически чистых и полезных природных материалов.
В кусочке янтаря ученые обнаружили самую древнюю паутину, сохранившуюся до наших времен. Ее возраст составляет около 140 миллионов лет. Немногим ранее был найден янтарь, в котором неплохо сохранился древнейший паук, его возраст насчитывает 120 миллионов лет. Таким образом, паукообразные являются достаточно древними существами, чем до этого предполагали ученые.
Из чего состоит паутина
Паутина – это белок, который выделяется из многочисленных прядильных трубочек паука и обогащенный аланином, глицином и серином. В процессе формирования паутинного полотна, происходит структурное изменение белка – он твердеет снаружи, но остается жидким внутри.
Сочетание двух видов белков: прочного спидроина-1 и эластичного спидроина-2, составляют основу каркасной нити. Такое сочетание и объясняет уникальные свойства паутины.
Использование паутины в медицинских целях
Среди рецептов народной медицины есть следующий: чтобы остановить кровь из полученной ссадины или ранки, на нее нужно положить очищенную от насекомых и мелкого мусора паутину. Она не только обладает кровоостанавливающим действием, но и способствует скорейшему заживлению тканей.
Столь ценные свойства паутины не могли не остаться незамеченными современной медициной, и сейчас идут исследования в области ее практического применения. В новейшем материале заинтересованы хирурги и трансплантологии, для использования его в качестве средства для наложения швов, искусственных связок и сухожилий.
Обладая бактерицидными свойствами, паутинное волокно в виде пленок, могло бы служить заживляющих покрытием при ожогах и ранах, которые ускоряют регенерацию кожного покрова и не отторгаются организмом.
Пока не удается полностью синтезировать подобного рода белки химическим путем, но кое-какими успехами ученые похвастаться могут. Например, получен искусственный аналог паутинной нити, которая лишь в 4 раза менее прочная, чем натуральная. Это уже можно считать достижением, поскольку величина разрыва у нее выше, чем у сухожилия или кости.
Ученые Ганновера тоже ведут исследования в этом направлении и заявляют, что в скором времени появится новая методика пластической хирургии, основанная на сшивании у людей поврежденных нервов. Они отмечают, что паутина обладает всеми нужными для этого качествами: упругость на разрыв, саморастворение в организме и улучшенную «приживаемость» без воспалительных процессов.
В свою очередь, предполагается создание искусственной кожи на основе паутины для тех людей, кому требуется ее пересадка.
Успехом увенчались эксперименты и группы исследователей из Университета Тафтса (США). В ходе проведенных опытов были получены модифицированные белки паутины, которые присоединялись к больным клеткам, игнорируя здоровые. Это явилось некой платформой для транспортировки терапевтических генов в клетки организма.
Масштабное использование паутины в медицинских целях требует огромное количество пауков, поэтому ученые находятся в поиске такого синтетического шелка, который бы обладал свойствами природной паутины, но при этом был доступен для практического применения.
Каждый может легко смахнуть паутину, висящую между ветками дерева или под потолком в дальнем углу комнаты. Но мало кто знает, что если бы паутина имела диаметр 1 мм, то она могла бы выдержать груз массой приблизительно 200 кг. Стальная проволока того же диаметра выдерживает существенно меньше: 30–100 кг, в зависимости от типа стали. Почему же паутина обладает такими исключительными свойствами?
Некоторые пауки прядут до семи типов нитей, каждая из которых имеет собственное назначение. Нити могут использоваться не только для ловли добычи, но и для строительства коконов и парашютирования (взлетая на ветру, пауки могут уходить от внезапной угрозы, а молодые пауки таким способом расселяются на новые территории). Каждый из типов паутины производится специальными железами.
Паутина, используемая для ловли добычи, состоит из нескольких типов нитей (рис. 1): каркасной, радиальной, ловчей и вспомогательной. Наибольший интерес ученых вызывает каркасная нить: она имеет одновременно высокую прочность и высокую эластичность - именно это сочетание свойств является уникальным. Предельное напряжение на разрыв каркасной нити паука Araneus diadematus составляет 1,1–2,7. Для сравнения: предел прочности стали 0,4–1,5 ГПа, человеческого волоса - 0,25 ГПа. В то же время каркасная нить способна растягиваться на 30–35%, а большинство металлов выдерживают деформацию не более 10–20%.
Представим себе летящее насекомое, которое ударяется в натянутую паутину. При этом нить паутины должна растянуться так, чтобы кинетическая энергия летящего насекомого превратилась в тепло. Если бы паутина запасала полученную энергию в виде энергии упругой деформации, то насекомое отскочило бы от паутины, как от батута. Важное свойство паутины состоит в том, что она выделяет очень большое количество теплоты при быстром растяжении и последующем сокращении: энергия, выделяемая в единице объема, составляет более 150 МДж/м 3 (сталь выделяет - 6 МДж/м 3). Это позволяет паутине эффективно рассеивать энергию удара и не слишком сильно растягиваться, когда в нее попадает жертва. Паутина или полимеры, обладающие аналогичными свойствами, могли бы стать идеальными материалами для легких бронежилетов.
В народной медицине есть такой рецепт: на рану или ссадину, чтобы остановить кровь, можно приложить паутину, аккуратно очистив ее от застрявших в ней насекомых и мелких веточек. Оказывается, паутина обладает кровеостанавливающим действием и ускоряет заживление поврежденной кожи. Хирурги и трансплантологи могли бы использовать ее в качестве материала для наложения швов, укрепления имплантантов и даже как заготовки для искусственных органов. С помощью паутины можно существенно улучшить механические свойства множества материалов, которые в настоящее время применяются в медицине.
Итак, паутина - необычный и очень перспективный материал. Какие же молекулярные механизмы отвечают за ее исключительные свойства?
Мы привыкли к тому, что молекулы - чрезвычайно маленькие объекты. Однако это не всегда так: вокруг нас широко распространены полимеры, которые имеют длинные молекулы, состоящие из одинаковых или похожих друг на друга звеньев. Все знают, что генетическая информация живого организма записана в длинных молекулах ДНК. Все держали в руках полиэтиленовые пакеты, состоящие из длинных переплетенных молекул полиэтилена. Молекулы полимеров могут достигать огромных размеров.
Например, масса одной молекулы ДНК человека порядка 1,9·10 12 а.е.м. (однако это приблизительно в сто миллиардов раз больше, чем масса молекулы воды), длина каждой молекулы составляет несколько сантиметров, а общая длина всех молекул ДНК человека достигает 10 11 км.
Важнейшим классом природных полимеров являются белки, они состоят из звеньев, которые называются аминокислотами. Разные белки выполняют в живых организмах чрезвычайно разные функции: управляют химическими реакциями, используются в качестве строительного материала, для защиты и т. д.
Каркасная нить паутины состоит из двух белков, которые получили названия спидроинов 1 и 2 (от английского spider - паук). Спидроины - это длинные молекулы с массой от 120000 до 720000 а.е.м. У разных пауков аминокислотные последовательности спидроинов могут отличаться друг от друга, но все спидроины имеют общие черты. Если мысленно вытянуть длинную молекулу спидроина в прямую линию и посмотреть на последовательность аминокислот, то окажется, что она состоит из повторяющихся участков, похожих друг на друга (рис. 2). В молекуле чередуются два типа участков: относительно гидрофильные (те, которым энергетически выгодно контактировать с молекулами воды) и относительно гидрофобные (те, которые избегают контакта с водой). На концах каждой молекулы присутствуют два неповторяющихся гидрофильных участка, а гидрофобные участки состоят из множества повторов аминокислоты, называемой аланином.
Длинная молекула (например, белок, ДНК, синтетический полимер) может быть представлена как скомканная запутанная веревка. Растянуть ее не составляет труда, потому что петли внутри молекулы могут расправляться, требуя сравнительно небольшого усилия. Некоторые полимеры (например, резина) могут растягиваться на 500% своей начальной длины. Так что способность паутины (материала, состоящего из длинных молекул) деформироваться больше, чем металлы, не вызывает удивления.
Откуда же берется прочность паутины?
Чтобы понять это, важно проследить за процессом формирования нити. Внутри железы паука спидроины накапливаются в виде концентрированного раствора. Когда происходит формирование нити, этот раствор выходит из железы по узкому каналу, это способствует вытягиванию молекул и ориентации их вдоль направления вытяжки, а соответствующие химические изменения вызывают слипание молекул. Фрагменты молекул, состоящие из аланинов, соединяются вместе и образуют упорядоченную структуру, похожую на кристалл (рис. 3). Внутри такой структуры фрагменты уложены параллельно друг другу и сцеплены между собой водородными связями. Именно эти участки, сцепленные между собой, и обеспечивают прочность волокна. Типичный размер таких плотно упакованных участков молекул составляет несколько нанометров. Расположенные вокруг них гидрофильные участки оказываются неупорядоченно свернутыми, похожими на скомканные веревки, они могут расправляться и этим обеспечивать растяжение паутины.
Многие композиционные материалы, например армированные пластмассы, устроены по тому же принципу, что и каркасная нить: в относительно мягком и подвижном матриксе, который дает возможность деформации, находятся малые по размерам твердые области, которые делают материал прочным. Хотя материаловеды давно работают с подобными системами, созданные человеком композиты только начинают приближаться к паутине по своим свойствам.
Любопытно, что, когда паутина намокает, она сильно сокращается (это явление получило название суперконтракции). Это происходит потому, что молекулы воды проникают в волокно и делают неупорядоченные гидрофильные участки более подвижными. Если паутина растянулась и провисла от попадания насекомых, то во влажный или дождливый день она сокращается и при этом восстанавливает свою форму.
Отметим также интересную особенность формирования нити. Паук вытягивает паутину под действием собственного веса, но полученная паутина (диаметр нити приблизительно 1–10 мкм) обычно позволяет выдержать массу, в шесть раз большую массы самого паука. Если же увеличить вес паука, вращая его в центрифуге, он начинает выделять более толстую и более прочную, но менее жесткую паутину.
Когда заходит речь о применении паутины, возникает вопрос о том, как ее получать в промышленных количествах. В мире существуют установки для «доения» пауков, которые вытягивают нити и наматывают их на специальные катушки. Однако такой способ неэффективен: чтобы накопить 500 г паутины, необходимо 27 тысяч средних пауков. И тут на помощь исследователям приходит биоинженерия. Современные технологии позволяют внедрить гены, кодирующие белки паутины, в различные живые организмы, например в бактерии или дрожжи. Эти генетически модифицированные организмы становятся источниками искусственной паутины. Белки, полученные методами генной инженерии, называются рекомбинантными. Отметим, что обычно рекомбинантные спидроины гораздо меньше природных, но структура молекулы (чередование гидрофильных и гидрофобных участков) остается неизменной.
Есть уверенность, что искусственная паутина по своим свойствам не будет уступать природной и найдет свое практическое применение как прочный и экологически чистый материал. В России исследованиями свойств паутины совместно занимаются несколько научных групп из различных институтов. Получение рекомбинантной паутины осуществляют в Государственном научно-исследовательском институте генетики и селекции промышленных микроорганизмов, физические и химические свойства белков исследуют на кафедре биоинженерии биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, изделия из белков паутины формируют в Институте биоорганической химии РАН, их медицинскими применениями занимаются в Институте трансплантологии и искусственных органов.
Кандидат физико-математических наук Е. Лозовская
Наука и жизнь // Иллюстрации
Клейкое вещество, покрывающее нить ловчей спирали, равномерно распределяется по паутине в виде капелек-бусинок. На снимке показано место присоединения двух фрагментов ловчей спирали к радиусу.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Начальные этапы построения ловчей сети пауком-крестовиком.
Логарифмическая спираль приближенно описывает форму вспомогательной спиральной нити, которую прокладывает паук при строительстве колесовидной ловчей сети.
Спираль Архимеда описывает форму клейкой ловчей нити.
Зигзагообразные нити - одна из особенностей тенет пауков рода Argiope.
Кристаллические области шелкового волокна имеют складчатую структуру, наподобие той, что изображена на рисунке. Отдельные цепи соединены водородными связями.
Юные паучки-крестовики, только что выбравшиеся из паутинного кокона.
Пауки семейства Dinopidae spinosa плетут сетку из паутины между своих ног и затем набрасывают ее на жертву.
Паук-крестовик (Araneus diadematus) известен своим умением плести большие колесовидные ловчие сети.
Некоторые виды пауков пристраивают к круглой ловушке еще и длинную "лестницу", которая существенно повышает эффективность охоты.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Так выглядят под микроскопом паутинные трубочки, из которых выходят нити паутинного шелка.
Возможно, пауки - не самые привлекательные создания, но их творение - паутина - не может не вызывать восхищения. Вспомните, как завораживает взгляд геометрическая правильность переливающихся на солнце тончайших нитей, растянутых между ветвями кустарника или среди высокой травы.
Пауки - одни из древнейших обитателей нашей планеты, заселившие сушу более 200 миллионов лет назад. В природе насчитывается около 35 тысяч видов пауков. Эти восьминогие существа, обитающие повсеместно, узнаваемы всегда и всюду, несмотря на различия в окраске и размерах. Но самая главная их отличительная особенность - это способность производить паутинный шелк, непревзойденное по прочности натуральное волокно.
Пауки используют паутину для самых разных целей. Они делают из нее коконы для яиц, строят убежища для зимовки, используют в качестве "страховочного каната" при прыжках, плетут замысловатые ловчие сети и заворачивают пойманную добычу. Готовая к спариванию самка производит паутинную нить, помеченную феромонами, благодаря чему самец, двигаясь вдоль нити, легко находит партнершу. Молодые пауки некоторых видов улетают из родительского гнезда на длинных нитях, подхваченных ветром.
Питаются пауки в основном насекомыми. Ловчие приспособления, которыми они пользуются для добывания пищи, бывают самых разных форм и видов. Некоторые пауки просто протягивают несколько сигнальных нитей рядом со своим убежищем и, как только насекомое задевает за нить, бросаются на него из засады. Другие - выбрасывают нить с клейкой каплей на конце вперед, как своеобразный аркан. Но вершина конструкторской деятельности пауков - это все-таки круглые колесовидные тенета, расположенные горизонтально или вертикально.
Чтобы построить колесовидную ловчую сеть, паук-крестовик, обычный обитатель наших лесов и садов, выпускает довольно длинную прочную нить. Ветерок или восходящий поток воздуха поднимает нить вверх, и, если место для постройки паутины выбрано удачно, она цепляется за ближайшую ветку или другую опору. Паук проползает по ней, чтобы закрепить конец, иногда прокладывая для прочности еще одну нить. Затем он выпускает свободно свисающую нить и к ее середине прикрепляет третью, так что получается конструкция в форме буквы Y - первые три радиуса из более чем полусотни. Когда радиальные нити и рама готовы, паук возвращается в центр и начинает прокладывать временную вспомогательную спираль - что-то вроде "строительных лесов". Вспомогательная спираль скрепляет конструкцию и служит пауку дорожкой при построении ловчей спирали. Весь основной каркас сети, включая радиусы, делается из неклейкой нити, а вот для ловчей спирали используется двойная нить, покрытая клеящим веществом.
Удивительно то, что эти две спирали имеют разную геометрическую форму. Временная спираль имеет относительно мало витков, и расстояние между ними с каждым витком увеличивается. Происходит это потому, что, прокладывая ее, паук движется под одинаковым углом к радиусам. Форма получившейся ломаной линии близка к так называемой логарифмической спирали.
Липкая ловчая спираль строится по другому принципу. Паук начинает с края и продвигается к центру, сохраняя одинаковое расстояние между витками, и получается спираль Архимеда. При этом он обкусывает нити вспомогательной спирали.
Паутинный шелк производится особыми железами, расположенными в задней части брюшка паука. Известно по крайней мере семь типов паутинных желез, производящих разные нити, но ни у одного из известных видов пауков не встречаются все семь типов сразу. Обычно у паука от одной до четырех пар этих желез. Плетение паутины дело не быстрое, и на построение ловчей сети среднего размера уходит примерно полчаса. Чтобы переключиться на производство паутины другого вида (для ловчей спирали), пауку требуется минутная передышка. Пауки часто используют паутину повторно, съедая остатки ловчей сети, поврежденной дождем, ветром или насекомыми. Паутина переваривается в их организме с помощью специальных ферментов.
Структура паутинного шелка идеально отработана за сотни миллионов лет эволюции. Этот природный материал сочетает в себе два чудесных свойства - прочность и эластичность. Сеть из паутины способна остановить насекомое, летящее на полной скорости. Нить, из которой пауки плетут основу своей ловчей сети, тоньше человеческого волоса, а ее удельная (то есть пересчитанная на единицу массы) прочность на разрыв выше, чем у стали. Если сравнивать паутинную нить со стальной проволокой такого же диаметра, то они выдержат примерно одинаковый вес. Но паутинный шелк в шесть раз легче, а значит, в шесть раз прочнее.
Подобно человеческому волосу, шерсти овцы и шелку коконов гусеницы шелкопряда, паутина состоит в основном из белков. По аминокислотному составу белки паутины - спидроины - относительно близки к фиброинам, белкам, из которых состоит шелк, вырабатываемый гусеницами шелкопряда. И те и другие содержат необычно много аминокислот аланина (25%) и глицина (около 40%). Участки белковых молекул, богатые аланином, образуют плотно упакованные в складки кристаллические области, обеспечивающие высокую прочность, а те участки, где больше глицина, представляют собой более аморфный материал, способный хорошо растягиваться и тем самым придающий нити эластичность.
Как же образуется такая нить? На этот вопрос пока нет полного и ясного ответа. Наиболее подробно процесс прядения паутины был изучен на примере ампуловидной железы паука-кругопря да Nephila clavipes. Ампуловидная железа, производящая самый прочный шелк, состоит из трех основных отделов: центрального мешочка, очень длинного изогнутого канала и трубочки с выходным отверстием. Из клеток на внутренней поверхности мешочка выходят маленькие сферические капельки, содержащие молекулы белка спидроина двух типов. Этот вязкий раствор перетекает в хвостовую часть мешочка, где другие клетки выделяют белки другого типа - гликопротеины. Благодаря гликопротеинам образующееся волокно приобретает жидкокристаллическую структуру. Жидкие кристаллы замечательны тем, что, с одной стороны, они имеют высокую степень упорядоченности, а с другой - сохраняют текучесть. Пока густая масса движется к выходному отверстию, длинные молекулы белков ориентируются и выстраиваются параллельно друг другу в направлении оси формирующегося волокна. При этом между ними образуются межмолекулярные водородные связи.
Человечество скопировало многие из конструкторских находок природы, но такой сложный процесс, как прядение паутины, воспроизвести пока не удается. Эту непростую задачу ученые сейчас пытаются решить с помощью биотехнологических приемов. Первым шагом стало выделение генов, ответственных за производство белков, из которых состоит паутина. Эти гены были внедрены в клетки бактерий и дрожжей (см. "Наука и жизнь" № 2, 2001 г.). Канадские генетики пошли еще дальше - они вывели генетически модифицированных коз, молоко которых содержит растворенные белки паутины. Но проблема не только в том, чтобы получить белок паутинного шелка, необходимо смоделировать природный процесс прядения. А этот урок природы ученым еще предстоит выучить.
Как паук плетет паутину, специалисты сняли видео, где подробно можно рассмотреть действия членистоногого. Умение ткать ажурное полотно, воронкообразные сети, коконы для личинок передается генетически. Молодой паучок повторяет все действия своей матери, никогда не видя, как это делается. Пауки делают паутину разной по форме, величине, структуре, используют в разных целях.
Состав паутины паука
Представляет собой секрет паутинных желез. После выделения растягивается, затвердевает в виде тонких нитей. В дальнейшем они переплетаются, делаются прочнее. Используются для формирования узора либо как строительный материал.
Из чего состоит паутина паука – белок, обогащенный аланином, серином, глицином. Внутри паутинной железы вещество находится в жидкой форме. В процессе прохождения через прядильные трубочки затвердевает, превращается в нить.
Откуда у паука выходит паутина – из бородавок, расположенных вблизи половых органов. Внутри нити формируется кристаллический белок, увеличивающий прочность, гибкость волокон. В зависимости от того, с какой целью будет использоваться паутина, меняется толщина, прочность.
Интересно!
По прочности паутина паука близка к нейлону, сохраняет натяжение при растяжении, сжатии нитей. Подвешенный на длинной паутине предмет можно вращать длительное время в одном направлении, она не запутается, даже не будет оказывать сопротивления при движении. Благодаря такой особенности паук может длительное время висеть в воздухе, прикрепив конец к растению, а также на большие расстояния с помощью порывов ветра.
Зачем паук плетет паутину – основные функции
Выделяется паутина не произвольно, а когда возникает необходимость. Разные используют нити в разных целях, но абсолютно все самки применяют специальный секрет для привлечения самцов.
- Если рассматривать внимательно, откуда выпускает паутину самка, можно заметить, что бородавки с секретом находятся вблизи половых органов. Половозрелая самка дополнительно выделяет пахучие вещества, запах которых улавливает самец.
- Семейство плетет ловчие сети. Творение крупных экземпляров в радиусе доходит до 2 м. Плотность полотна такова, что в ней запутывается птичка, мелкий грызун, земноводные. В сетях запутываются насекомые, их личинки.
- Почвенные, подземные экземпляры строят норы в земле с многочисленными лабиринтами. Ловчие сети не сооружают, но защищают паутиной вход, натягивают сигнальные нити. По их вибрации определяют приближение потенциальной жертвы, мгновенно выходят на охоту.
- Пауки живут обособленно, собираются парами только для спаривания. Владения поделены, при нарушении границ происходят смертельные схватки. Для расселения, освоения новой местности, паук плетет прочную длинную нить, крепит ее к листу, веточке, спускается вниз, ждет порыва ветра. По воздуху членистоногое может пролететь несколько сотен километров либо приземляется под соседним кустом. Активная миграция начинается после появления на свет молодого поколения паучков.
- После оплодотворения самка начинает формировать из паутины кокон. Откладывает внутрь от 50 до 1000 штук яиц. Закрепляет в укромном месте либо таскает за собой весь период развития личинок.
- Из прочных нитей паукообразное строит себе домик, убежище для зимовки. Уникальное существо – , строит гнездо под водой. Изначально плетет домик из нитей, заполняет воздухом, живет внутри, пускает самца в брачный период, высиживает там детенышей, таскает внутрь пойманную жертву.
- Паутиной хищник окутывает свою жертву после впрыскивания токсина. После этого оставляет добычу, наблюдает за ней в стороне, пока не прекратятся конвульсии. Если хищник не голоден, подвешивает пойманную добычу на паутине в укромном месте про запас.
- Некоторые разновидности членистоногих паутинкой окутывают листья, протягивают длинную нить, дергают ею для отвлечения внимания хищников от своего убежища. Делают марионетку, которой потом искусно управляют. Еще одни умельцы из подручных средств сплетают плот, плавают на поверхности воды, вылавливают мальков, личинок, рачков.
Ловчие сети паук оставляет при значительном повреждении нитей насекомыми. Приступает к формированию нового полотна после 12 пойманных жертв.
На заметку!
Членистоногое часто ест свое изобретение. Этот феномен объясняется пополнением организма белком, присутствием влаги, которая накапливается на полотне благодаря росе.
Как плетет паук паутину
Многие паукообразные ведут ночной образ жизни, занимаются «ткачеством» в темное время суток. За сколько паук плетет паутину, зависит от разновидности членистоногого. В среднем, кругопряду требуется около 1 часа для формирования прочных ловчих сетей. Если требуется провести реконструкцию, процесс занимает несколько минут.
Как быстро паук плетет паутину, можно увидеть на видео, представленном ниже. Делает это членистоногое автоматически, каждый раз повторяя один и тот же узор. Наиболее привлекательные выходят ажурные узоры у кругопрядов. Изначально берется паутина прочная, натягивается в форме треугольника, затем формируются ячейки разного размера.
Интересно!
Паутина , обитающего в тропических лесах Бразилии, настолько прочная, что ее используют местные рыбаки для отлова рыбы. Из нитей плетут тонкое, но очень прочное полотно. Компания Kraig Biocraft изготавливает из натурального сырья пауков бронежилеты.
Как паук плетет паутину между деревьями, можно увидеть в саду, в условиях дикой природы. Ажурное полотно либо воронка сверкает на солнце, привлекает насекомых. А вот сам процесс, как паук натягивает паутину между двух деревьев, заслуживает восхищения. Изначально хищник спускается вниз, ждет порыва ветра, двигается по воздуху до соседнего дерева, закрепляет там второй конец. Затем дело остается за малым.
Во время полета паук контролирует скорость, регулируя длину нити. При удлинении двигается медленнее, при сокращении – быстрее. Чтобы приземлиться, нужно выбросить паутину на растение, дерево.
Практическая польза от паутины.
Каждый из нас прекрасно представляет себе паутину: неоднократно сталкивался с паутиной в лесу, а то и в своем собственном доме. Из углов паутину смахивают веником, а в лесу, случайно угодив в нее лицом, недовольно стряхивают.
Между тем, паутина - это очень интересный и полезный в практическом применении натуральный материал, огромное значение которого незаслуженно сегодня затмили многочисленные синтетические полимеры.
Тончайшие нити самой древней паутины были обнаружены в куске янтаря работниками Оксфордского университета в Восточном Сассексе. Возраст уникальной находки оценивается приблизительно в 140 млн. лет. До этого момента древнейшей считалась паутина в куске янтаря, найденном в Ливане, датированным 130-ю миллионами лет, а древнейший паук - обнаруженный в янтаре возрастом около 120 млн. лет. Янтари, сформировавшиеся более 100 млн. лет назад, встречаются крайне редко.
При помощи самых современных технологий ультрамикроскопирования ученым удалось идентифицировать древнейшую паутину, длина нитей которой была чуть больше миллиметра. Интересно, что паутина аналогична той, которую плетут современные пауки. Расположение обнаруженных нитей позволило установить, что они были опорами для круглой паутины. Тот же кусочек янтаря сохранил два мотка древней паутины.
Благодаря этой находке, исследовавшие ее палеобиологи предположили, что паукообразные на самом деле гораздо более древние существа, чем думали до этого. Ранее считалось, что широкое распространение летающих насекомых, служивших добычей для арахнид, было вызвано появлением на нашей планете цветущих растений. После изучения находки оксфордских ученых было сделано предположение о том, что древнейшие паукообразные охотились на ползающих и прыгающих насекомых, сплетая паутину на поверхности почвы.
Кроме паутины, тот же кусок янтаря сохранил обуглившиеся частички горелых коры и сока хвойного дерева. Предположительно, дерево выделило смолу, поглотившую паутину и впоследствии превратившуюся в янтарь, во время лесного пожара.
Сами пауки используют паутину для построения убежищ, выстилки норок, ловчих тенёт и яйцевого кокона; самцы делают из неё сперматическую сеточку в целях размножения. У молоди некоторых пауков длинные нити паутины служат парашютами при расселении ветром. При изготовлении ловчей сети паук сначала натягивает раму и радиальные нити, затем прокладывает временную опорную спиральную нить и лишь после этого ткёт клейкую спиральную ловчую сеть, по окончании к-рой обкусывает опорную нить.
Паутина пауков представляет собой белок, обогащённый глицином, аланином и серином. Внутри паутинной железы она существует в жидкой форме. При выделении через многочисленные прядильные трубочки, открывающиеся на поверхности паутинных бородавок, происходит изменение структуры белка, вследствие чего он затвердевает в форме тонкой нити. В дальнейшем паук переплетает эти первичные нити в более толстое паутинное волокно.
Каркасная нить паутины состоит из двух белков: более прочного спидроина-1 и более эластичного спидроина-2. Именно сочетание их свойств определяет уникальные свойства паутины.
Паутина может иметь диаметр до нескольких миллиметров и состоит из тончайших нитей. Паутина чрезвычайно тонка и легка. Чтобы опоясать экватор нашей планеты, ее потребовалось бы всего 340 г!
Ученых больше всего интересует каркасная нить паутины, необычайно прочная и эластичная. Мало кто знает о том, что нить паука по своей прочности близка к нейлону - прочность на разрыв составляет от 40 до 260 кг/мм2, что в несколько раз прочнее стали. Если бы паутина имела диаметр 1 мм, то она могла бы выдержать груз массой приблизительно 200 кг. Стальная проволока того же диаметра выдерживает существенно меньше: 30-100 кг, в зависимости от типа стали. К тому же она необычайно эластична.
Любопытно, что, когда паутина намокает, она сильно сокращается (это явление получило название суперконтракции). Это происходит потому, что молекулы воды проникают в волокно и делают неупорядоченные гидрофильные участки более подвижными. Если паутина растянулась и провисла от попадания насекомых, то во влажный или дождливый день она сокращается и при этом восстанавливает свою форму.
Другое необычное свойство паутины — внутренняя шарнирность: подвешенный на паутинном волокне предмет можно неограниченно вращать в одну и ту же сторону, и при этом она не только не перекрутится, но вообще не будет создавать заметной силы противодействия.
Как известно, натуральные нити человек добывал из природных материалов с достаточно большой изобретательностью. Впоследствии из таких нитей появились ткани - из шерсти, хлопка, льна, крапивы и даже из тончайших нитей коконов шелкопряда. Однако использование паутины открывает новые перспективы в этом направлении, т.к. представляет собой отличный материал для изготовления прочных и легких тканей.
Первая попытка изготовить такую ткань была предпринята три столетия тому назад французским ученым - энтомологом Боном, который представил в научное королевское общество свои предложения о замене привозного шелка паутинным. В качестве образца прилагались сделанные из паучьего шелка чулки и перчатки. Идея ученого не нашла поддержки по причине сложности массового разведения пауков. В нынешнее время для этой проблемы есть решение, но появление большого количества синтетических нитей резко снизило востребованность паучьего шелка.
Исключительная по прочности, легкости и красоте ткань из паутины до сих пор используется и известна в Китае под названием "ткани восточного моря". Полинезийцы употребляли паутину крупных тенетных пауков в качестве ниток для шитья и плетения рыболовных снастей. В начале XVIII века во Франции из паутины крестовиков были изготовлены перчатки и чулки, вызвавшие всеобщее восхищение. Известно, что от одного паука можно получить сразу до 500 м нити. В 1899 году из паутины крупного мадагаскарского паука пытались получить ткань для покрытия дирижабля и удалось изготовить образец роскошной ткани длиной 5 м.
На сегодняшний момент нити паутины применяются в основном в оптической промышленности для нанесения перекрестья в оптических приборах и в качестве ниток в микрохирургии, а также за счет высокого содержания в себе бактерицидных свойств может с успехом применяться в медицине в качестве шовного материала, искусственных связок и сухожилий, пленок для заживления ран, ожогов и пр.
Синтезировать подобного рода белки в лаборатории химическим путем невозможно - они слишком сложны. Однако ученым удалось создать некий искусственный аналог с применением биотехнологических технологий. Такая нить была проверена на прочность специалисты Научно-иследовательского центра "Углехимволокно" в Мытищах. Нить толщиной всего в несколько микрон выдерживает на разрыв 50-100 мг груза. Она оказалась всего лишь в четыре раза менее прочной, чем у паука, а это очень хороший результат. В то же время величина значения энергии разрыва (упругость) у этой нити уже выше, чем у кости или сухожилия.
Из паутины можно делать не только нити, но и пленки. Именно в таком виде планируется использование «искусственной паутины» для изготовления заживляющих покрытий для ран и ожогов, которые не будут отторгаться организмом и будут стимулировать регенерацию собственного эпителия.
Предпринимались попытки и получать паутину естественным путем, аналогично шелку. Были даже изобретены разные приборы для «доения» паука и аккуратного наматывания нежных нитей на медленно вращаемую катушку.
Препятствий оказалось несколько. Во-первых, неуживчивость паучьей натуры: при совместном содержании эти животные враждуют и поедают друг друга. Во-вторых, каждый паук производит очень мало паутины: подсчитано, что для производства 500 г волокна потребуется 27 тыс. пауков среднего размера. Понятно, что продуктивность членистоногих вряд ли сможет удовлетворить промышленным запросам. Выход один: научиться получать ее искусственно.
Жители островов Тихого океана «заставляют» пауков плести рыболовные сети, которые необычайно прочны и почти незаметны в воде. А на расположенном недалеко от восточного берега Африки острове Мадагаскар многие сельские жители до сих пор используют паутинки вместо ниток.
Технология, разработанная около ста лет назад французским проповедником, позволила собрать с миллиона мадагаскарских пауков золотистую паутину.
Искусствовед Саймон Пирс (Simon Peers) и его американский партнёр по бизнесу Николас Гудли (Nicholas Godley) наняли для работы несколько десятков рабочих, которые создали уникальное полотно размером 3,4 на 1,2 метра.
Поставщиками "ниток" стал миллион пауков-кругопрядов (golden orb spider), принадлежащих к роду Nephila. На изготовление куска, пожалуй, самой необычной ткани учёный и предприниматель потратили почти пять лет жизни и около $500 тысяч.
Гудли впервые приехал на Мадагаскар в 1994 году, где создал небольшую компанию по производству товаров из волокон пальмы рода Raphia. В 1999-м Николас выпустил свою первую коллекцию модных сумок (видимо, из того же материала), а в 2005-м закрыл фабрику и полностью переключился на производство "паучьей ткани" вместе с Пирсом.
На создание необычного полотна Гудли вдохновили рассказы о том, как в XIX веке нечто подобное попытался сделать французский управляющий одной из мадагаскарских провинций. Однако Николасу не было доподлинно известно, являются эти рассказы правдой или вымыслом.
Вообще-то паучий шёлк не пользуется особой популярностью у жителей Мадагаскара (оно и понятно, ведь "стандартного" тутового шелкопряда выращивать гораздо легче). Однако в XIX веке подданные королевства Мерина (Merina Kingdom) всё же решались работать с ним. Изделия из паутины преподносились членам королевских семей. Появилась даже особая традиция сплетения нитей.
Работа Пирса и Гудли началась с того, что они наняли 70 рабочих собирать близ столицы Мадагаскара Антананариву (Antananarivo) паучих вида Nephila madagascariensis.
Только женские особи создают уникальную в своём роде прочную паутину с золотистым оттенком. Сбор проходил во время сезона дождей, так как членистоногие плодят свои сети только в это время года (что накладывает дополнительные ограничения на процесс производства полотна).
Чтобы создать некое подобие прядильной фабрики, пауков поместили в специальные камеры, где их держали в неподвижном состоянии. Надо сказать, что Nephila madagascariensis не ядовитые, но кусачие. Кроме того, они могут сбежать или поесть друг друга. "Поначалу мы имели 20 женских особей, но вскорости всё заканчивалось тремя, правда, очень толстыми", - рассказывает Пирс.
Так что в конце концов беспокойных тварей изолировали друг от друга, одновременно нарастив количество одновременно обитающих на фабрике особей.
Десять рабочих собирали паутину, свисающую из прядильных органов паучих. С одной особи таким образом можно было получить около 25 метров драгоценного материала.
Пирс отмечает, что четырнадцать тысяч пауков дают примерно 28 граммов паучьего шёлка, а общий вес конечного куска ткани составил аж 1180 граммов!
Далее для создания первичной нити ткачи вручную скручивали 24 отрезка паутины в один, четыре первичных затем превращали в одну основную нить (итого 96 отрезков), и только из неё ткали полотно. Можно представить, насколько кропотливой должна быть работа.
Материал из паутины пригодится на поле боя, в хирургии и даже в космосе, уверены многие специалисты. В получении изделий из белков паутины заинтересованы в Институте биоорганической химии РАН, а также в Институте трансплантологии и искусственных органов.
В народной медицине есть такой рецепт: на рану или ссадину, чтобы остановить кровь, можно приложить паутину, аккуратно очистив ее от застрявших в ней насекомых и мелких веточек. Оказывается, паутина обладает кровеостанавливающим действием и ускоряет заживление поврежденной кожи. Хирурги и трансплантологи могли бы использовать ее в качестве материала для наложения швов, укрепления имплантантов и даже как заготовки для искусственных органов. С помощью паутины можно существенно улучшить механические свойства множества материалов, которые в настоящее время применяются в медицине.
Загрузка...
