Паукообразные продуцируют паутинную нить состоящую из. Что прочнее – паутина или сталь? У кого самая крепкая паутина? Состав и свойства паутины

Что прочнее - паутина или сталь? У кого самая крепкая паутина?

Пожалуй, паутина прочнее, но у кого самая крепкая, не знаю, может быть у шелкопряда.
У любимого мужчины...
В Африке живут крупные, ярко раскрашенные пауки нефилы. Нефилы родичи наших крестовиков. Они плетут ловчие сети, похожие на паутинные круги, которые всем нам хорошо знакомы. Только круги побольше, да и нет обычно в них верхней половины круга, а на ее месте беспорядочная путаница нитей: защита от врагов, которых у толстой и аппетитной нефилы много.
Паутина, или паучий шелк это один из изумляющих примеров материалов, создаваемых природой и проявляющих исключительные физические свойства. Ее прочность в пересчете на один квадратный миллиметр сечения позволяет выдержать 260 кг, она прочнее и намного легче стали
У паука есть несколько желез, расположенных в животе, которые производят паутинный шелк. Каждая железа производит шелк для особой цели. Известны семь различных желез. Но разные виды пауков обладают только несколькими из этих желез, а не всеми сразу.
Самая тонкая измеренная нить была лишь 0,02 мм. Поэтому мы способны видеть паутину только из-за отражения нитью солнечного света. Но эта тонкая нить способна остановить пчелу, летящую на полной скорости. Эта нить не только очень крепкая, но также и очень упругая. Благодаря этим свойствам шелк паука жестче, чем любые другие материалы или металлы, известные нам. Прочность материала измеряется в единицах, называемых dernier (1 dernier = 1 г на 9000 м) . Нить паука имеет прочность от 5 до 8. Это означает, что нить из шелка паука разрушится под собственным весом при ее длине 45 - 72 км. Сопоставимыми материалами являются нейлон и стекло. Сталь имеет прочность приблизительно равную 3.
Шелк паука используется для нескольких целей. Поленизийские рыбаки используют нить золотого паука-кругопряда (Nephila) как леску. В New-Hebrides сети паука использовали для изготовления сетей для транспортирования наконечников стрел, табака и высушенного яда для наконечников стрел. Некоторые племена в Новой Гвинеи использовали сети как шляпы, чтобы защитить головы от дождя.
В Первой мировой войне нити Araneus diadematus, Zilla atrica, Argiope aurantia и других пауков-кругопрядов использовались как перекрестие в инструментах.
Аборигены Полинезии издавна использовали паутину крупных тенетных пауков как нитки для пошива прочных рыболовных снастей, а в Европе, еще в средние века, люди научились изготавливать из паутины ткани. Изготовленные для короля Франции Людовика XIV перчатки и чулки из паутины паука-крестовика были предметом восхищения всех, кому удавалось увидеть эти уникальные изделия.
паутина
мне кажется сталь

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.

Паутина является своеобразным секретом, вырабатываемым паутинными железами. Такой секрет через незначительное время после выделения, способен застывать в форме крепких белковых нитей. Паутину выделяют не только пауки, но и некоторые другие представители из группы паукообразных, включая ложноскорпионов и клещей, а также губоногие многоножки.

Как пауки производят паутину

Большое количество паутинных желез располагается в брюшной полости паука . Протоки таких желез открываются в мельчайшие прядильные трубочки, имеющие выход на концевую часть специальных паутинных бородавок. Количество прядильных трубочек может варьироваться в зависимости от вида паука. К примеру, очень распространённый паук-крестовик имеет их пять сотен.

Это интересно! В паутинных железах вырабатывает жидкий и вязкий белковый секрет, особенностью которого является способность практически мгновенно затвердевать под воздействием воздуха и превращаться в тонкие длинные нити.

Процесс прядения паутины заключается в прижимании паутинных бородавок к субстрату. Первая, незначительная часть выделившегося секрета застывает и надёжно приклеивается к субстрату, после чего паук вытягивает вязкий секрет с помощью задних ног. В процессе удаления паука от места прикрепления паутины, белковый секрет растягивается и быстро затвердевает. На сегодняшний день известно и достаточно хорошо изучено семь разных видов паутинных желез, которыми производятся разные типы нитей.

Состав и свойства паутины

Паутина паука является белковым соединением, в состав которого также входят глицин, аланин и серин. Внутренняя часть образуемых нитей представлена жесткими белковыми кристаллами, размер которых не превышает несколько нанометров. Кристаллы объединяются при помощи очень эластичных белковых связок.

Это интересно! Необычным свойством паутины является её внутренняя шарнирность. При подвешивании на паутинное волокно, любой предмет можно неограниченное количество раз вращать, без образования перекручивания.

Первичные нити переплетаются пауком и становятся более толстым паутинным волокном . Показатели прочности паутины приближены к аналогичным параметрам нейлона, но значительно прочнее, чем секрет тутового шелкопряда. В зависимости от того, с какой целью предполагается использовать паутину, пауком может выделяться не только липкая, но также и сухая нить, толщина которой значительно варьируется.

Функции паутины и ее назначение

Паутина используется пауками в самых разных целях. Сотканное из прочной и надёжной паутины убежище позволяет создавать для членистоногих наиболее благоприятные микроклиматические условия, а также служит хорошим укрытием, как от непогоды, так и от многочисленных природных врагов. Многие членистоногие паукообразные способны оплетать своей паутиной стенки своей норки или делать из неё своеобразную дверку в жилище.

Это интересно! Некоторые виды используют паутину в виде транспорта, а молодые паучки покидают родительское гнездо на длинных паутинных нитях, которые подхватываются ветром и переносятся на значительные расстояния.

Наиболее часто пауки используют паутину для плетения липких ловчих сетей, что позволяет эффективно ловить добычу и обеспечивать членистоногому питание. Не менее известны так называемые яйцевые коконы из паутины, внутри которых появляются молодые паучки . Некоторые виды плетут паутинные страховочные нити, защищающие членистоногое от падения в процессе прыжка и для перемещения или ловли добычи.

Паутина для размножения

Для периода размножения характерно выделение самкой паутинных нитей, которые позволяют найти оптимальную пару для спаривания. Например, самцы-тенетники способны сооружать рядом с сетями, созданными самками, миниатюрные по размерам брачные паутинные кружева, в которые и заманиваются паучихи.

Самцы пауков-крестовиков ловко присоединяют свои горизонтальные паутины к радиально расположенным нитям ловчих сетей, сделанных самками. Нанося по паутине сильные удары конечностями, самцы вызывают колебания сети и, таким необычным образом, приглашают самок на спаривание.

Паутина для ловли добычи

С целью поимки своей добычи многие виды пауков плетут специальные ловчие сети, но для некоторых видов характерно использование своеобразных паутинных арканов и нитей. Пауки, которые скрываются в жилищах-норах, расставляют сигнальные нити, которые тянутся от брюшка членистоногого до самого входа в его убежище. При попадании добычи в ловушку, колебание сигнальной нити моментально передаётся пауку.

Липкие ловчие сети-спирали строятся немного по другому принципу . При её создании паук начинает плетение с края и постепенно продвигается к центральной части. В этом случае обязательно сохраняется одинаковый промежуток между всеми витками, в результате чего получается так называемая «спираль Архимеда». Нити на вспомогательной спирали специально обкусываются пауком.

Паутина для страховки

Пауками-скакунчиками используются паутинные нити в качестве страховки при нападении на жертву. Пауками прикрепляется страховочная нить паутины к любому предмету, после чего членистоногое прыгает на намеченную добычу. Эта же нить, прикрепленная к субстрату, используется для ночлега и страхует членистоногое от нападения всевозможных природных врагов.

Это интересно! Южнорусские тарантулы, покидая своё жилище-нору, тянут за собой тончайшую паутинную нить, что позволяет быстро найти при необходимости обратную дорогу или вход в убежище.

Паутина как транспорт

К осени некоторые виды пауков выводят молодь. Выжившие в процессе взросления молодые паучки стараются взбираться как можно выше, используя с этой целью деревья, высокорослые кустарники, крыши домов и другие строения, заборы. Дождавшись достаточно сильного ветра, маленький паучок выпускает тонкую и длинную паутинку.

От длины такой транспортной паутины напрямую зависит расстояние перемещения. Дождавшись хорошего натяжения паутинки, паук откусывает её конец, и очень быстро взлетает. Как правило, «путешественники» способны пролететь на паутине несколько километров.

Пауками-серебрянками паутина применяется в качестве водного транспорта. Для охоты в водоёмах этому пауку требуется дыхание атмосферным воздухом. При спуске на дно, членистоногое способно захватывать порцию воздуха, а на водных растениях из паутины сооружается своеобразный воздушный колокол, который удерживает воздух и позволяет пауку охотиться на свою добычу.

Ученые уже много лет присматриваются к паутине, пытаясь изготовить из нее всё – от бронежилетов до носков. Повышенный интерес к паучьей нити не случаен: по своей прочности она близка к нейлону – прочность на разрыв составляет от 40 до 260 кг на кв. мм, что в несколько раз прочнее стали. Если было бы возможным сплести большую паутину толщиной с карандаш, то она могла бы остановить летящий самолет.

На сегодняшний момент нити паутины применяются в основном в оптике для нанесения перекрестья в оптических приборах и в качестве ниток в микрохирургии. Паучья нить ценна и тем, что она обладает отличными бактерицидными свойствами, а потому с успехом может применяться в медицине в качестве шовного материала, искусственных связок и сухожилий, пленок для заживления ран, ожогов и пр.

Впрочем, разные народности уже давно используют паутину для своих повседневных нужд. Жители островов Тихого океана «заставляют» пауков плести рыболовные сети, которые необычайно прочны и почти незаметны в воде. А на острове Мадагаскар многие крестьяне до сих пор используют паутинки вместо ниток.

Золотая ткань

Бизнесмены и ученые также пытаются поставить производство ткани из паучьего шелка на поток, правда, дело это весьма хлопотное и затратное, но и результат приятно радует глаз. Получить уникальную ткань из паучьего шелка взялись искусствовед Саймон Пирс и его партнёр по бизнесу Николас Гудли. После долгого и кропотливого труда они создали уникальное золотистое полотно размером 3,4 м на 1,2 м.

Поставщиком «ниток» стал миллион пауков-кругопрядов. На изготовление куска, пожалуй, самой необычной ткани учёный и предприниматель потратили почти 5 лет жизни и около 500 тыс. долл.

Гудли впервые приехал на Мадагаскар в 1994 г., где создал небольшую компанию по производству товаров из волокон пальмы. В 1999 г. Николас выпустил свою первую коллекцию модных сумок, а в 2005 г. неожиданно закрыл фабрику и полностью переключился на производство «паучьей ткани» вместе с Пирсом.

Началось все с того, что друзья наняли 70 рабочих собирать близ столицы Мадагаскара Антананариву паучьих 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. Проблема состояла в том, что находясь в «стае», пауки пожирают друг друга. «Поначалу мы имели 20 женских особей, но в скорости всё заканчивалось тремя, правда, очень толстыми», – рассказывает Пирс.

В конце концов, беспокойных тварей изолировали друг от друга, при этом нарастив количество одновременно обитающих на фабрике особей.

10 рабочих собирали паутину, свисающую из прядильных органов паучьих. С одной особи таким образом можно было получить около 25 м драгоценного материала.

Пирс отмечал, что 14 тыс. пауков дают примерно 28 г паучьего шёлка, а общий вес конечного куска ткани составил аж 1180 г!

Бронежилет и струны

Другие же исследователи ставят перед собой более приземленные цели. При помощи генной инженерии японские биологи ввели гены, ответственные за производство паутины у паука, в хромосому шелкопряда. Получившееся волокно является чем-то средним между натуральным шелком и паутиной. Однако такой материал намного прочней и долговечней, чем обыкновенный шелк. Из него в ближайшем будущем планируется изготавливать множество вещей: от носков до рыболовных сетей и защитной одежды.

Еще один японец, химик по специализации, изготовил из паутины струны для скрипки, слепив паутину в пучки по 3 тыс. и 5 тыс. штук. Из таких пучков, закрученных уже в противоположном направлении, создавались собственно струны для скрипки. Они хороши тем, что намного более крепкие, чем распространенные струны из нейлона с алюминиевым покрытием.

Изучение разреза струн под электронным микроскопом показало то, что у них есть важное отличие от аналогов. В то время, как у обычных струн волокна, сплетающиеся вместе, сохраняют круглую форму, оставляя много пустого пространства между собой, паучьи нитки получили форму многоугольников, плотно собравшись вместе.

Очень хорошо зарекомендовал себя и бронежилет из паутины. Типичное защитное средство состоит из нескольких слоев специальной ткани – кевлара, благодаря которой бронежилет приобретает высокую прочность. А вот если использовать несколько наслоений из нити паука, то можно получить еще более прочный бронежилет, который устойчив к пулям крупного калибра. При этом такой жилет весит в разы меньше, в отличие от современных весьма тяжелых аналогов. Так что, в скором времени, бронежилеты из паутины поступят в армии развитых стран, вроде США, которые ими очень заинтересовались.

Кроме того, ученые уже создали нить, по своим свойствам похожую на нить паука, которая окажет неоценимую услугу медицине. Похоже, что люди еще много чего смогут научиться у пауков, этих поистине удивительных созданий.

Подготовила Анна Попенко,
по материалам