Вещество которое дает паутине паука прочность. Загадки паутины

Представителей отряда паукообразных можно встретить повсюду. Это хищники, которые охотятся на насекомых. Свою добычу они ловят с помощью паутины. Это гибкое и прочное волокно, к которому приклеиваются мухи, пчелы, комары. Как паук плетет паутину, этим вопросом часто задаются при виде удивительной ловчей сети.

Что такое паутина?

Пауки одни из древнейших обитателей планеты, из-за маленького размера и специфического внешнего вида их ошибочно считают насекомыми. На самом деле это представители отряда членистоногих. Тело паука имеет восемь ног и два отдела:

головогрудь;
брюшко.

В отличие от насекомых у них нет усиков и шеи, отделяющей голову от груди. Брюшко арахнида своеобразная фабрика по производству паутины. В нем расположены железы, вырабатывающие секрет, состоящий из белка, обогащенного аланином, придающим прочность, и глицином, отвечающим за эластичность. По химической формуле паутина близка к шелку насекомых. Внутри желез секрет находится в жидком состоянии, а на воздухе твердеет.

Информация. Шелк гусениц тутового шелкопряда и паутина имеют схожий состав – на 50% это белок фиброин. Ученые выяснили, что нить паука значительно прочнее секрета гусениц. Это объясняется особенностью формирования волокна

Откуда берется паутина у паука?

На брюшке членистоногого расположены выросты – паутинные бородавки. В их верхней части раскрываются каналы паутинных желез, формирующих нити. Насчитывается 6 типов желез, производящих шелк для разных целей (перемещение, опускание, опутывание добычи, хранение яиц). У одного вида все эти органы одновременно не встречаются, обычно у особи 1-4 пары желез.

На поверхности бородавок насчитывается до 500 прядильных трубочек, подающих белковый секрет. Паук прядет паутину следующим образом:

паутинные бородавки прижимаются к основанию (дерево, трава, стена и т.д.);
небольшое количество белка прилипает к выбранному месту;
паук отходит, вытягивая нить задними лапками;
для основной работы используются длинные и гибкие передние лапки, с их помощью создается каркас из сухих нитей;
завершающий этап изготовления сети – формирование липких спиралей.

Благодаря наблюдениям ученых стало известно, откуда у паука выходит паутина. Ее выпускают подвижные парные бородавки на брюшке.

Интересный факт. Паутина очень легкая, вес нити, обмотавшей Землю по экватору, составил бы всего 450 г.

Паук вытягивает нить из брюшка

Как строится ловчая сеть

Ветер – лучший помощник паука в строительстве. Достав тонкую нить из бородавок, арахнид подставляет ее под воздушный поток, который относит застывший шелк на значительное расстояние. Это секретный способ, как паук плетет паутину между деревьями. Паутинка легко цепляется к веткам деревьев, используя ее в качестве каната, арахнид передвигается с места на место.

В структуре паутины прослеживается определенная схема. Ее основу составляет каркас из прочных и толстых нитей, расположенных в виде лучей, расходящихся из одной точки. Начиная с внешней части, паук создает круги, постепенно двигаясь к центру. Удивительно, что без всяких приспособлений он выдерживает одинаковое расстояние между каждым кругом. Эта часть волокон липкая, именно в ней будут застревать насекомые.

Интересный факт. Паук поедает собственную паутину. Ученые предлагают два объяснения этому факту – таким образом восполняется потеря белка при ремонте ловчей сети или паук просто пьет воду, повисшую на шелковых нитях.

Сложность рисунка паутины зависит от вида паукообразного. Низшие членистоногие строят простые сети, а высшие – сложные геометрические схемы. Подсчитано, что строит ловушку из 39 радиусов и 39 спиралей. Кроме гладких радиальных нитей, вспомогательной и ловчей спирали существуют сигнальные нити. Эти элементы улавливают и передают хищнику вибрацию попавшейся добычи. Если попадается посторонний предмет (ветка, листок), маленький хозяин отделяет его и выбрасывает, затем восстанавливает сеть.

Крупные древесные паукообразные натягивают ловушки диаметром до 1 м. В них попадают не только насекомые, но и мелкие птицы.

Сколько времени паук плетет паутину?

На создание ажурной ловушки для насекомых хищник тратит от получаса до 2-3 часов. Время его работы зависит от погодных условий и запланированных размеров сети. Некоторые виды плетут шелковые нити ежедневно, делая это утром или вечером, в зависимости от образа жизни. Один из факторов, за сколько паук плетет паутину, ее вид – плоская или объемная. Плоская – это привычный всем вариант радиальных нитей и спиралей, а объемная – ловушка из комка волокон.

Назначение паутины

Тонкие сети являются не только ловушками для насекомых. Роль паутины в жизни паукообразных гораздо шире.

Ловля добычи

Все пауки хищники, убивающие свою жертву ядом. При этом некоторые особи имеют хрупкое телосложение и сами могут стать жертвой насекомых, например, ос. Для охоты им нужно убежище и ловушка. Липкие волокна выполняют эту функцию. Попавшую в сеть добычу они опутывают коконом из нитей и оставляют, пока впрыснутый фермент не приведет ее в жидкое состояние.

Шелковые волокна паукообразных тоньше человеческого волоса, но их удельная прочность на разрыв сравнима со стальной проволокой.

Размножение

В период спаривания самцы прикрепляют к паутине самки собственные нити. Нанося ритмичные удары по шелковым волокнам, они сообщают потенциальной партнерше о своих намерениях. Принимающая ухаживания самка спускается на территорию самца для спаривания. В некоторых видах инициатором поиска партнера является самка. Она выделяет нить с феромонами, благодаря которым ее находит паук.

Дом для потомства

Из шелкового паутинного секрета плетутся коконы для яиц. Их количество в зависимости от вида членистоногих составляет 2-1000 штук. Паутинные мешочки с яйцами самки подвешивают в безопасном месте. Оболочка кокона достаточно прочна, она состоит из нескольких слоев и пропитывается жидким секретом.

В своей норке паукообразные оплетают стенки паутиной. Это помогает создать благоприятный микроклимат, служит защитой от непогоды и природных врагов.

Перемещение

Один из ответов, зачем паук плетет паутину – он использует нити как транспортное средство. Чтобы перемещаться между деревьями и кустами, быстро пониматься и опускаться ему необходимо прочные волокна. Для полетов на дальние расстояния пауки забираются на возвышения, выпускают быстро застывающую паутину, а затем с порывом ветра уносятся на несколько километров. Чаще всего путешествия совершаются в теплые ясные дни бабьего лета.

Почему паук не прилипает к своей паутине?

Чтобы не попасть в собственную ловушку, паук делает несколько сухих нитей для передвижения. Прекрасно ориентируюсь в хитросплетениях сетей, он безопасно подбирается к прилипшей добыче. Обычно в центре ловчей сети остается безопасный участок, где хищник поджидает добычу.

Интерес ученых к взаимодействию паукообразных с их охотничьими ловушками появился более 100 лет назад. Первоначально было выдвинуто предположение о наличии на их лапках специальной смазки, предотвращающей прилипание. Подтверждений теории так и не нашли. Съемка специальной камерой движения ног паука по волокнам из застывшего секрета дал объяснение механизму соприкосновения.

Паук не прилипает к своей паутине по трем факторам:

множество упругих волосков на его лапках уменьшает площадь соприкосновения с липкой спиралью;
кончики паучьих ног покрыты маслянистой жидкостью;
перемещение происходит особым образом.

Каков секрет строения лапок помогает арахнидам избежать прилипания? На каждой ноге паука есть два опорных когтя, которыми он цепляется за поверхность, и один гибкий коготь. При движении он прижимает нити к гибким волоскам на лапке. Когда паук поднимает лапку, коготь распрямляется, а волоски отталкивают паутину.

Другое объяснение – отсутствие непосредственного контакта ноги паукообразного и липких капель. Они попадают на волоски лапки, а затем легко стекают обратно на нить. Какие бы теории не рассматривали зоологи, неизменным остается тот факт, что пауки не становятся узниками собственных липких ловушек.

Плести паутину могут и другие паукообразные – клещи и ложноскорпионы. Но их сети не сравнятся по прочности и искусному переплетению с произведениями настоящих мастеров – пауков. Современная наука пока не в состоянии воспроизвести паутину синтетическим методом. Технология изготовления паутинного шелка остается одной из загадок природы.

Наверняка каждый из вас обращал внимание на утонченные, ажурные, шелковистые «платочки», которые развешивают пауки на деревьях и траве солнечным летом. Когда серебристые росинки блестят на ажурной паучьей пряже - зрелище, согласитесь, безумно красивое и завораживающее. Но возникает несколько вопросов: "где образуется и как используется пауком паутина", "откуда она берется и из чего состоит". Попытаемся сегодня разобраться, зачем же это животное украшает все вокруг своей «вышивкой».

Остановились на часок

Очень многие ученые посвящали паукам и их паутине не только целые трактаты и часы, но и годы своей жизни. Как говорил Андре Тилькин, известный философ из Франции, плетение паутины - это удивительный спектакль, который можно смотреть часами и часами. Он написал более пятисот страниц трактата о паутине.

Немецкий ученый Г. Петерс утверждал, что, наблюдая за пауками часами, даже не замечаешь, как пролетает время. Он еще до Тилькина рассказал миру о том, кто такие эти удивительные создания, как паук плетет свою паутину, для чего она ему необходима.

Наверняка и вы не раз, увидев на листочке маленького паучка, занимающегося своей кропотливой работой, останавливались и наблюдали. Но у нас всегда не хватает времени на прекрасные мелочи, мы всегда в спешке, поэтому и не можем остановиться, задержаться чуть дольше. Если бы находилось это самое время, каждый из нас наверняка мог бы ответить на вопрос: «Как появляется паутина, почему паук не прилипает к своей паутине?»

Давайте остановимся все-таки на мгновенье и разберемся. Ведь вопрос действительно интересный, а процесс завораживающий.

Откуда она берется?

Пауки - древнейшие создания, живущие на земле более двухсот миллионов лет. Без своей паутины они, пожалуй, не были бы так интересны человечеству. Так откуда выделяется паутина у пауков и что собой представляет?

Паутина - это содержимое специальных желез, которые имеют многие членистоногие (ложноскорпионы, пауки, паутинные клещи и т. д.). Жидкое содержимое способно вытягиваться и не рваться при этом. Образовавшиеся тончайшие нити очень быстро затвердевают на воздухе.

Каждый паук имеет несколько специфических желез на теле, которые отвечают за выработку паутины. Разные железы образуют различного вида и плотности паутину. Располагаются они на брюшке в виде тончайших протоков и носят название «паучьи бородавки». Именно из этих отверстий и выделяется жидкий секрет, вскоре превращающийся в прекрасную паутину.

С помощью лап паук распределяет, «развешивает» паутину там, где это ему необходимо. Самые длинные у паука передние лапки, именно они выступают в главной роли. А с помощью задних лап он захватывает капли жидкости и растягивает их до необходимой длины.

Ветер в помощь

Правильному распределению паутины способствует и ветерок. Если паук выбирает правильное место для размещения, к примеру между деревьев или в листьях, то ветер помогает разнести нити туда, куда нужно. Если вы хотели для себя ответить на вопрос о том, как паук плетет паутину между деревьями, то вот и ответ. Ему помогает ветер.

Когда одна нить зацепилась за нужную веточку, паук проползает, проверяет прочность основы и выпускает следующую. К середине первой прикрепляет вторую и так далее.

Этапы строительства

Основание паутины очень похоже на снежинку или точку, из центра которой расходится несколько лучиков. Эти центральные нити-лучики самые плотные и толстые по своей структуре. Иногда паук делает основу сразу из нескольких нитей, как бы заранее укрепляя свои тропы.

Когда основание будет готово, животное переходит к строительству «ловчих спиралей». Они изготавливаются уже совершенно из другого вида паутины. Эта жидкость отличается клейкостью, хорошо липнет. Именно из липкой паутины и строятся круги на основании.

Паук начинает свое строительство с внешнего круга, постепенно продвигаясь к центру. Он удивительным образом чувствует расстояние между кругами. Совершенно не имея под рукой циркуля или специальных измерительных приборов, паук безошибочно распределяет паутину так, что между кругами исключительно одинаковое расстояние.

Почему сам не прилипает?

Наверняка все вы знаете, как пауки охотятся. Как их добыча путается в липкой паутине и погибает. И, пожалуй, каждый хоть раз задавался вопросом: «А почему паук не прилипает к своей паутине?»

Разгадка кроется в специфической тактике строительства паутины, которую мы описывали чуть выше. Паутина делается из нескольких видов нитей. Основа, по которой паук и перемещается, делается из обычной, очень прочной и совершенно безопасной нити. А вот «ловчие» круги изготавливаются, наоборот, из липкой и смертоносной для многих насекомых нити.

Функции паутины

Итак, мы разобрались, как появляется паутина и где образуется. И как используется пауком паутина, тоже сможем теперь ответить. Первостепенная задача паутины - конечно же, добыча пропитания. Когда «пища» попадает в паутину, паук сразу чувствует вибрацию. Он приближается к добыче, быстренько ее заворачивает в прочное «одеяло», открывает край и уносит еду в то место, где никто ему не помешает насладиться трапезой.

Но кроме добычи пропитания, паутина служит пауку еще для некоторых целей. Из нее делается кокон для яиц и дом для жилья. Паутина выступает в роли своеобразного гамака, на котором происходят брачные игры и спаривание. Она выступает в роли парашюта, который позволяет быстро удрать от опасных врагов. С ее же помощью пауки при необходимости могут передвигаться по деревьям.

Прочнее стали

Итак, мы уже знаем, как паук плетет паутину и каковы ее особенности, как она образуется и как строятся липкие сети для добычи пищи. Но остается вопрос о том, почему же паутина такая прочная.

Несмотря на то что все паучьи конструкции разнообразны, они имеют одинаковое свойство - повышенную прочность. Это обеспечивается за счет того, что в состав паутины входит белок - кератин. Кстати, он также содержится в когтях животных, в шерсти, в перьях птиц. Волокна паутины отлично растягиваются и потом возвращаются в свой первоначальный вид, при этом не рвутся.

Ученые говорят, что паутина по своей прочности намного превосходит натуральный шелк. Последний имеет прочность разрыва 30-42 г/мм 2 , а вот паутина - около 170 г/мм 2 . Чувствуется разница.

Как паук плетет паутину - это понятно. Что она прочная - тоже вопрос решили. А вот знали ли вы, что несмотря на такую прочность, паутина в несколько тысяч раз тоньше, чем волос человека? Если сравнивать показатели разрыва паутины и других нитей, она превосходит не только шелк, но и вискозу, нейлон, орлон. Даже крепчайшая сталь не сравнится по прочности с ней.

Знали ли вы, что от того, как паук плетет паутину, будет завесить количество жертв, которые в ней окажутся?

Когда в паутине оказывается добыча, она не только прилипает к «ловчей» сети, но и поражается электрическим зарядом. Он образуется от самих насекомых, которые в процессе полета накапливают заряд, а попадая в паутину, отдают его нитям и поражают сами себя.

Зная, как паук плетет паутину и какие она имеет «прочные» качества, почему люди до сих пор не изготавливают из таких нитей одежду? Оказывается, во времена Людовика XIV один из мастеров попытался сшить из нитей паука перчатки и носки для короля. Однако работа эта оказалась очень сложной, кропотливой и длительной.

В Южной Америке паучьи сети помогают не только самим изготовителям, но и местным обезьянкам. Животные благодаря прочности сетей ловко и безбоязненно передвигаются по ним.

Прочных материалов в мире считается паутина . Ее эластичность и прочность таковы, что если бы можно было бы сделать паутину (сохранив при этом все ее свойства) толщиной хотя бы с карандаш, то на ней была бы возможность легко подвесить современный танк.

Причем процесс работы паука отлажен по самой высшей категории - современным промышленным компаниям до этого далеко.

Причем паук изготавливает не «просто» паутину, а именно ту, которая в данный конкретный момент ему необходима. Место дислокации поменять - одна, ловить пищу - другая, «строить» себе жилье - третья. А ловчая сеть создается вообще из нескольких видов паутины, которые друг от друга отличаются своими характеристиками. Однако для того, чтобы поменять «модель», паук не перестраивается и не останавливает свой конвейер – он всегда «знает», какая нить ему нужна.

Для изготовления всем известной классической, колесообразной паутины паук вначале натягивает что-то типа «фундамента» - не очень липкие и тяжелые нити большого диаметра, затем на них накладывает более тонкие «спицы» и только затем опутывает оставшееся в центре пространство почти невидимыми, самыми опасными и клейкими спиральками, которые и являются капканом для различных насекомых.

Паук-удильщик вообще не плетет сетей. Он изготавливает одну тонкую нить, имеющую на конце липкий шарик, после чего воинственно размахивает этим оружием в разные стороны. Одновременно он источает аромат, подобный тому, который издают самки мотыльков, подыскивающие себе партнеров. Доверчивые мотыльки слетаются на запах, но в результате по лбу получают липким шариком и становятся обедом для паука.

Для своих прогулок паук делает мягкую, толстую и пушистую паутину - кому хочется угодить в собственную ловушку? А если умельцу заблагорассудилось сменить место жительства, то он выпускает специальную паутину-парашют – подхваченная ветром, она может перенести своего владельца на большое расстояние.

И еще несколько интересных сведений о пауках. Ученые несколько лет назад на Мадагаскаре обнаружили новый вид паука, который способен сплести паутину длиной до 25 метров и соответствующей прочности и толщины (пока это мировой рекорд). Свои громадные сети паук натягивает не между обычными кустиками, а прямо поперек озер и рек - чтобы ловить кружащихся над водой насекомых.

А в прошлом году ученым удалось определить, как выглядит паутина в разрезе. Оказалось, что паутина представляет собой белковую нить, смахивающую на стопку блинов. Диаметр каждого «блина» - 3 нанометра, а соединен он с соседним в результате водородных связей.

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

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.

Пауки принадлежат к древнейшим обитателям Земли: следы первых паукообразных найдены в породах, которым 340–450 млн лет. Пауки примерно на 200–300 млн лет старше динозавров и более чем на 400 млн лет – первых млекопитающих. У природы было достаточно времени, чтобы не только умножить число паучьих видов (их известно около 60 тыс.), но и вооружить многих этих восьминогих хищников удивительным средством охоты – паутиной. Рисунок паутины может быть различным не только у разных видов, но и у одного паука в присутствии тех или иных химических веществ, например взрывчатых или наркотических. Пауков даже собирались запустить в космос для исследования влияния микрогравитации на рисунок паутины. Однако больше всего загадок таило вещество, из которого состоит паутина.

Паутина, как наши волосы, шерсть животных, нити шелковичных червей, состоит в основном из белков. Но полипептидные цепи в каждой паутинной нити переплетены столь необычным образом, что обрели почти рекордную прочность. Одиночная нить, производимая пауком, столь же прочна, как стальная проволока равного диаметра. Канат, сплетенный из паутины, толщиной всего примерно с карандаш, мог бы удержать на месте бульдозер, танк и даже такой мощный аэробус, как «Боинг-747». Но плотность стали в шесть раз больше, чем паутины.

Известно, сколь высока прочность шелковых нитей. Классическим примером служит наблюдение, сделанное аризонским врачом еще в 1881 г. На глазах этого врача произошла перестрелка, в которой один из стрелявших был убит. Две пули попали в грудь и прошли навылет. При этом с обратной стороны каждой раны торчали кусочки шелкового носового платка. Пули прошли сквозь одежду, мышцы и кости, но не смогли разорвать попавшегося им на пути шелка.

Почему же в технике применяют стальные конструкции, а не более легкие и эластичные – из материала, подобного паутине? Почему шелковые парашюты не заменяют этим же материалом? Ответ прост: попробуйте-ка сделать такой материал, какой ежедневно легко производят пауки, – не получится!

Ученые разных стран мира долго изучали химический состав паутины восьминогих ткачей, и сегодня картина ее строения раскрыта более или менее полно. Нить паутины имеет внутреннее ядро из белка, называемого фиброином, и окружающие это ядро концентрические слои гликопротеидных нановолокон. Фиброин составляет примерно 2/3 массы паутины (а также, кстати, и натурального шелкового волокна). Это вязкая, сиропообразная жидкость, полимеризующаяся и затвердевающая на воздухе.

Гликопротеидные волоконца, диаметр которых может составлять всего несколько нанометров, могут располагаться параллельно оси фиброиновой нити или образовывать спирали вокруг нити. Гликопротеиды – сложные белки, которые содержат углеводы и имеют молекулярную массу от 15 000 до 1 000 000 а.е.м, – присутствуют не только у пауков, но и во всех тканях животных, растений и в микроорганизмах (некоторые белки плазмы крови, мышечных тканей, оболочек клеток и др.).

При образовании паутины гликопротеидные волоконца соединяются между собой за счет водородных связей, а также связей между СО- и NН-группами, причем значительная доля связей образуется в паутинных железах паукообразных. Молекулы гликопротеидов могут образовывать жидкие кристаллы со стержневидными фрагментами, которые укладываются параллельно друг другу, что придает структуре прочность твердого тела при сохранении способности течь подобно жидкости.

Основные составные части паутины - простейшие аминокислоты: глицин Н 2 NCН 2 СООН и аланин СН 3 СHNН 2 CООН. В паутине содержатся и неорганические вещества – гидрофосфат калия и нитрат калия. Их функции сводятся к защите паутины от грибков и бактерий и, вероятно, созданию условий для образования самой нити в железах.

Отличительная особенность паутины - экологичность. Она состоит из легко усваиваемых природной средой веществ и не вредит этой среде. В этом отношении паутина пока не имеет аналогов, созданных руками человека.

Паук может выделять до семи разных по строению и свойствам нитей: одни – для ловчих «сетей», другие – для собственного перемещения, третьи – для сигнализации и т. д. Почти все эти нити могли бы найти широкое применение в промышленности и быту, если бы удалось наладить их широкое производство. Однако «приручить» пауков, как тутовых шелкопрядов, организовать своеобразные паучьи фермы вряд ли возможно: агрессивные привычки пауков и черты единоличника в их характере вряд ли позволят это сделать. А для производства всего 1 м ткани из паутины требуется «работа» более 400 пауков.

Можно ли воспроизвести химические процессы, проходящие в теле пауков, и скопировать природный материал? Ученые и инженеры уже довольно давно разработали технологию кевлара – арамидного волокна:

получаемого в промышленных масштабах и приближающегося по свойствам к паутине. Волокна из кевлара в пять раз слабее паутины, но все же настолько прочны, что их используют для изготовления легких пуленепробиваемых жилетов, защитных шлемов, перчаток, канатов и др. Но кевлар получают в среде горячих растворов серной кислоты, в то время как пауку требуется обычная температура. Химики пока не знают, как приблизиться к таким условиям.

Однако к решению материаловедческой проблемы приблизились биохимики. Сначала были выявлены и расшифрованы паучьи гены, программирующие образование нитей того или иного строения. Сегодня это касается пауков 14 видов. Затем американские специалисты из нескольких исследовательских центров (каждая группа самостоятельно) ввели эти гены бактериям, пытаясь получить нужные белки в растворе.

Ученые канадской биотехнологической фирмы «Нексиа» ввели такие гены мышам, затем перешли на коз, и козы стали давать молоко с тем самым белком, который образует нить паутины. Летом 1999 г. двух африканских карликовых козлов, Петера и Уэбстера, генетически запрограммировали давать потомство коз, молоко которых содержало такой белок. Эта порода хороша тем, что потомство становится взрослым уже в трехмесячном возрасте. Фирма пока хранит молчание, как делать нити из молока, но уже зарегистрировала название созданного ею нового материала – «BioSteel» («биосталь»). Статья о свойствах «биостали» опубликована в журнале «Science» («Наука», 2002, т. 295, с. 427).

Другим путем пошли немецкие специалисты из Гатерслебена: они ввели гены, подобные паучьим, в растения – картофель и табак. Им удалось получить в картофельных клубнях и табачных листьях до 2% растворимых белков, состоящих в основном из спидроина (главного фиброина пауков). Предполагается, что, когда количества производимого спидроина станут значительными, из него в первую очередь будут делать медицинские бинты.

Молоко, полученное от генетически измененных коз, вряд ли можно отличить по вкусу от натурального. Генетически модифицированный картофель похож на обычный: его в принципе тоже можно варить и жарить.