Автор: Максим Поташев
Наблюдая за насекомыми летом можно долго восхищаться тем, с какой скоростью и грациозностью паук плетет свою сеть. Недаром во всех мировых культурах есть отсылки и сравнения к паутине, как к чему-то невероятно сложному и зловещему. Но вот откуда у паука нить для постройки своих хитроумных ловушек?
Строение и состав паутины
Имея общее представление о том, зачем пауки плетут паутину, можно попытаться разобраться, что представляет собой это переплетение ниток
:
Она состоит из множества одиночных нитей.
Все они прикреплены к твердой поверхности, как минимум в одной точке.
Идут в одной плоскости, но в разных направлениях.
Изначально паук сплетает длинные нити, образуя своеобразный каркас.
После чего переплетает их продольными нитями по кругу, завершая работу.
Насколько липкой будет паутина, зависит от срока ее существования и вида паука.
Само насекомое должно быть крайне осторожно, ведь, как и своя жертва, оно не застраховано от возможности попасться в свою же ловушку.
Паутинка является лишь временным домом, в случае изменения окружающих условий или повышения конкуренции, паук, не раздумывая, переберется на другое место и начнет плести новую сеть.
Но для любого строительства необходим материал
. И по своим свойствам
нить паука
уникальна:В основном состоит из белков.
По свойствам она больше всего похожа на нейлон.
Обладает огромным запасом прочности на разрыв. До двух сотен килограмм на 1 квадратный миллиметр.
Если бы человечество научилось синтезировать такого рода ткань, она бы использовалась во многих передовых отраслях науки и производства.
Новый способ получения искусственной паутины
Учёные из Швеции, Китая, Испании и Великобритании получили искусственную паутину без использования агрессивных химикатов. Разработанный ими метод позволяет синтезировать километр волокна из литра белкового раствора. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Chemical Biology
.
Паутина — очень лёгкий и крайне прочный материал. Предельное напряжение на разрыв нити паука может достигать 1,75 ГПа — для сравнения, для разных видов стали этот показатель составляет от 0,2 до 2 ГПа. При этом паутина гораздо легче металлов и в тридцать раз тоньше человеческого волоса. Неудивительно, что учёные заинтересовались природным материалом. Но он замечателен не только уникальными механическими свойствами — паутину можно успешно использовать в медицине. К примеру, российские учёные показали, что содержащиеся в ней белки способствуют эффективному заживлению ран у мышей.
Хорошо знакомые нам ловчие сети пауков состоят из нескольких типов нитей — радиальной, ловчей, вспомогательной спирали и каркасной нити. Именно каркасная нить занимает исследователей больше всего, потому что обладает одновременно высокой прочностью и высокой эластичностью. Чем же объясняются её свойства и как бы их воспроизвести на практике? Основные компоненты каркасной нити — белки-спидроины 1 и 2. Спидроины и другие протеины накапливаются в железе паука в жидкой форме, а затем выделяются через специальные каналы — прядильные трубочки — при этом структура белков изменяется и они затвердевают в форме тонких нитей. Учёные давно думают над тем, как получать паутину в промышленных масштабах. Её можно просто «надоить» из пауков, но это неэффективно: чтобы произвести ощутимое количество материала понадобится слишком много членистоногих. Поэтому исследователи получают спидроины из других организмов с помощью генной инженерии.
Схема прибора для «доения» пауков из исследования 1982 года.
Однако искусственная паутина имеет недостатки — во-первых, рекомбинантные белки, созданные людьми, растворяются в воде не так хорошо, как паучьи, причём не помогает даже использование муравьиной кислоты и других растворителей. Во-вторых, искусственную паутину приходится подвергать специальной обработке — в противном случае ей недостаёт эластичности. Создать свежесформованную нить «идентичную натуральной» пока никому не удалось. Решением этих проблем и занялась международная группа учёных.
Большинство спидроинов состоит из нескольких основных компонентов: двух неповторяющихся гидрофильных участков на концах молекулы — N-терминального домена и C-терминального домена — и множества повторов аминокислот. Исследователи обратили внимание на то, что у разных видов пауков N- и C-домены обладают разными свойствами. У крестовиков C-участок растворяется в воде лучше, чем N-участок, у паука Araneus ventricosus
— наоборот. Для того чтобы получить жидкую паутину, которая обладает той же растворимостью, что и натуральная, учёные создали гибридный белок, состоящий из N-домена паука вида
Euprosthenops australis
и C-домена
A. ventricosus
. В этом им помогла кишечная палочка
Escherichia coli
, которой встроили необходимые гены. Затем спидроины поместили в установку, которая имитировала железы паука: жидкость пропускали через тонкие стеклянные каналы диаметром 0,6 мм, погружённые в ёмкость с низкокислотным раствором.
Установка, имитирующая железу паука. Фото из нового исследования.
На выходе учёные получали волокна искусственной паутины. Они испытали её на растяжение, а также изучили состав гибридных рекомбинантных белков с помощью спектрометрии. Выяснилось, что жидкая искусственная паутина растворяется в воде не хуже, чем настоящая. К сожалению, достичь паучьей эластичности так и не удалось, но, по словам исследователей, волокно выдерживало растяжение лучше, чем нити, созданные в ходе предыдущих экспериментов. «Этот метод впервые позволил нам прясть искусственную паутину без использования агрессивных химикатов», — объясняет Ян Йоханссон (Jan Johansson), один из авторов исследования. «Большое количество белков, производимых бактерией, позволяет нам получить километр биомемитического волокна из одного-единственного литра культуры E. coli
», — добавляет он.
Вам может быть интересно:
Разработка металлических материалов с плотностью воздуха.
Немного паучьей анатомии
Давайте разберемся, каким образом паук получает эту самую нить
:
Название органа Расположение Функция
Паутинные железы. В брюшке паука. Синтез клейкого вещества.
Паутинные трубочки. Выходят из брюшка на переднюю брюшную стенку. 300-400 этих трубочек обеспечивает выведение секрета желез наружу.
Паутинные сосочки На передней стенке брюшка. В них открываются все трубочки, и выделяется паутина.
В результате весь процесс происходит в три стадии:
Активация желез, расположенных в брюшке у паука. Этот процесс сопровождается синтезом клейкого белкового вещества, которое в дальнейшем и преобразуется в паутину.
Прохождение выделившегося секрета по трубочкам, его накопление.
Выделение паутиной нити через 6 сосочков, расположенных внизу брюшка.
Более детальные исследования показали, что количество желез, трубочек и сосочков может колебаться, в зависимости от вида паука.
Существуют разновидности с более сложно устроенной системой производства паутины
. Но все сводится к тому, что насекомое выпрыскивает небольшое количество паутины на твердую поверхность и начинает плести нить, которая сразу же засыхает, под воздействием воздуха.
Исследование прочности паутины
Целью пятого опыта являлась проверка прочности паутины (Приложение).
В ходе проведения опыта я использовал линейку, рыболовные грузила весом 2 г, 5 г и 10 г и паутину.
Из паутины выбрал одну нить: длина 21 см. Нить очень тонкая, меньше 1 мм. Потянул нить паука – порвалась.
Постепенно складывал 10 паутинок – получил одну: длина 12 см, толщина 0,5 мм. К такой «веревке» привязал груз массой 2 га – «веревка» не порвалась. Привязал груз массой 5 г – «веревка» порвалась.
Постепенно складывал 46 паутинок – получил одну: длина 9 см, толщина 1 мм. К «веревке» привязал груз массой 2 га – «веревка» не порвалась. Привязал груз массой 5 г – «веревка» не порвалась. К «веревке» привязал груз 10 г – «веревка» порвалась.
Вывод: прочность паутины повышается при увеличении количества паутинок.
Почему нельзя убивать пауков?
Существует огромное количество суеверий, по поводу пауков и их паутин. В большинстве случаев считается плохим знаком убийстве этого насекомого или разрушение его домика. Под этим есть и свое обоснование:Паук питается другими насекомыми, убивая мух, комаров и прочих незваных гостей.
Один такой житель с 8 лапами, поселившийся в вашем доме, будет работать лучше, чем отряд дезинсекторов. И за свой труд ничего не попросит.
Как только все насекомые будут уничтожены, у паука не останется вариантов для добычи пропитания, и он вынужден будет покинуть ваш дом.
Но всегда есть и минусы:Паутина собирает всю пыль и грязь.
Проживая в южных регионах, вы можете столкнуться с ядовитыми и опасными для жизни разновидностями пауков.
Никто не отменял арахнофобию, боязнь пауков заставит вмиг позабыть обо всей их полезности.
Поэтому решайте сами, как именно поступить с незваным гостем. Если всех остальных насекомых вы, не раздумывая, убиваете, нет смысла делать какой-то поблажки для обладателя восьми лапок.
С другой стороны, жалость к безобидным существам всегда должна присутствовать, хоть на каком-то уровне.
Мельчайшие волокна в естественной среде
Ученые давно подозревали, что паутина имеет такую уникальную структуру. Только вот доказать это было очень трудно. Многие считали, что из нановолокон пауки плетут только отдельные фрагменты своих сетей. Только исследование паутины «коричневых отшельников» — так в просторечии называют Loxosceles reclusa — привело к очень интересному открытию. Дело в том, что сети практически всех пауков имеют форму цилиндра. А вот ядовитые «отшельники» делают паутину, похожую на плоскую ленту. Ее отлично видно под атомным микроскопом, и можно очень подробно рассмотреть ее структуру.
Конечно, такое открытие было сделано не сразу. Биологи провели множество опытов и исследований. Некоторые свои выводы они опубликовали год назад. А недавно они обнаружили, что коричневые ядовитые пауки обладают еще и специальной техникой плетения сетей. Они работают, как швейные станки. В каждый микромиллиметр своего изделия они вкрапляют по двадцать особых «стежков» из мельчайших волокон. Благодаря им сеть становится потрясающе прочной.
Откуда на самом деле берется паутина?
Чтобы развеять пару мифов скажем, что:
Паук производит свою нить за счет расположенных в брюшке желез.
Она не выходит у него из лапок, как у героя комиксов и фильмов.
Выведение обеспечивают специальные сосочки, расположенные внизу брюшка.
Она выходите из заднего прохода, паутина это не отход жизнедеятельности.
Ее состав не особо зависит от рациона паука. Главное, чтобы питание было достаточным.
Производительность труда у пауков оценивать сложно, но достоверно известно, что пауки могут не прекращая плести нить длиной в несколько десятков метров
.
Это все данные экспериментов, в реальной жизни маленьким насекомым такие огромные ловчие сети не нужны.
С другой стороны, можно оценить масштабы трагедии, если в реальной жизни воплотится один из сюжетов фильмов-ужасов о нашествии этих огромных насекомых.
У паука нет в брюшке никаких ниток, паутина производится в полужидком виде и застывает она только на воздухе.
Сложно поверить, что такая тонкая нить может быть настолько прочной. Но все дело в физических особенностях и химическом составе материала.
Дети часто задают вроде бы и простые вопросы, но найти на них ответ так сразу не получится. Теперь можно простыми словами объяснить своему малышу, откуда у паука нить и зачем он плетет свои хитроумные сети. Только про «перспективы» нашествия гигантских пауков лучше умолчать, выдумка сценаристов так и останется просто выдумкой.
Горение паутины
Целью четвертого опыта являлось изучение особенностей горения паутины (Приложение).
В ходе проведения опыта я использовал металлический прут с паутиной, спички.
У взрослых я узнал, что искусственные полимерные ткани при горении всегда плавятся и часто издают резкие неприятные запахи. Если поджечь большой кусок синтетической ткани, резины или лески, ее края будут, словно оплавляться и даже стекать вниз раскаленными каплями, будет выделение черного дыма. Горение натуральной ткани отличается от горения искусственной .
Поджег паутину – она загорелась. Пламя – красное в середине, по краям синее, без выделения черного дыма. При горении — резкий запах жженого пера.
Вывод: паутина горит, не плавится. Значит она натурального происхождения.
Паутина – надежное убежище для потомства
Самка откладывает яйца после оплодотворения в паутинный кокон, сплетенный, из одного или нескольких шелковистой нити. Собственно кокон образован 2-мя пластинками — основной и кроющей пластинкой, соединенными своими краями. Такое строение кокона обеспечивает надежную защиту яйцам.
Самка сначала плетет основную пластинку, аналогичную сперматической сеточке для яиц. Сверху укутывает их вторым слоем паутины, который образует кроющую пластину. Оболочка кокона образована плотно прилегающими друг к другу шелковыми нитями и пропитана застывшим секретом. Стенки кокона становятся очень плотными почти как пергамент. У некоторых видов пауков самка плетет рыхлый кокон, похожий на комочек ваты.
Зачем пауки строят ловчую сеть?
Способность вырабатывать патину не является основным признаком пауков, тем не менее, плетение ловчей сети стало отличительной чертой паукообразных. Пауки – настоящие хищники, поджидающие свою добычу в укромном месте.
Благодаря клейким свойствам паутины, в паучьи сети попадает множество разнообразных животных, начиная от насекомых и даже мелких птиц.
Прилипнув к паутине, жертва старается выбраться из ловушки, раскачивая паутинную нить. Возникшие колебания передаются по сигнальной нити к пауку, который быстро по нитям приближается к добыче и впрыскивает пищеварительный сок, который попадая жертву, переваривает внутреннее содержимое. Затем паук оплетает ее паутиной, образуя подобие кокона. Остается немного подождать, пока пищеварительные ферменты сделают возможным просто высосать жидкое содержимое.
Самые необычные виды
Природа иногда в такие причудливые формы облекает пауков, что стоит только удивляться, откуда столько фантазии. Вот только несколько таких примеров.Паук-Павлин. Отличается в первую очередь своим ярким окрасом, напоминающим перо павлина. Размер особи ограничен пятью миллиметрами, поэтому рассмотреть его непросто. Такой окрас имеют только самцы.
Паук-краб. Внешне напоминает краба. К тому же это уникальное существо может двигаться, так же как и краб из стороны в сторону и назад вперёд. А возможность менять цвет делает его незаметным на фоне среды обитания.
Доломедес. Другое название этого паука «рыбий», так как он живёт возле водоёмов и питается мелкой рыбой, которая по размеру не превышает его самого.
Паук – хлыст. Это существо скорее напоминает тонкую веточку и совсем непохоже на своих собратьев. Вид получил название Сolubrinus, что в переводе означает змеевидный. Таким его создала природа для камуфляжа. Сидит такой хищник в паутине, а жертва думает, что это веточки прилипли к паутинке и совсем его не опасается.
Паутина как транспортное средство
Некоторые виды пауков используют паутину для передвижения по воздуху. Пауки забираются повыше на дерево, забор, высокий камень, крышу здания, приподняв брюшко, они выпускают клейкую нить. Она быстро застывает на воздухе и паук, отцепившись, отправляется в полет на легкой паутинке, которую несет встречный поток воздуха. Так молодые пауки попадают на новые места обитания.
Известны случаи появления пауков на палубе морского судна, плывущего в открытом море далеко от берега.
Взрослые пауки у видов с небольшими размерами также могут переселяться. Пауки способны подниматься с помощью паутинной нити, подхваченной ветром, на высоту до 2-3 километров. Причем свои путешествия пауки чаще всего совершают в тихие и спокойные дни «бабьего» лета. Они преодолевают большие расстояния.
Практическое использование
Открытие ученых в области структуры паутины может сыграть огромную роль в практической жизни людей. Представьте себе, что было бы, если бы мы умели синтезировать такие же суперпрочные и одновременно сверхлегкие нити, как это происходит в естественной среде! Строительство и пошив одежды, медицина и добывающая промышленность, даже освоение космоса — трудно найти сферу, где бы такие возможности не пригодились. Но проблема в том, что хотя ученые и пытаются, пока создать такие волокна не представляется возможным, и тем более производить их массово. Но благодаря таким открытиям мы шаг за шагом приходим к новым и совершенно удивительным технологиям, которые уже миллионы лет использует природа.
Нашли нарушение? Пожаловаться на содержание
