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.

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

1. Пожалуй, паутина прочнее, но у кого самая крепкая, не знаю, может быть у шелкопряда.
2. У любимого мужчины...
3. 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.
4. 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.

5. паутина
6. мне кажется сталь

Паукообразные выделяются из всех насекомых способностью плести удивительные паутинные узоры.
Как паук плетет паутину — невозможно себе представить. Маленькое существо создает большие и прочные сети. Удивительная способность сформировалась 130 млн лет назад.

Все возможности у животных появляются и закрепляются при естественном отборе неслучайно. Каждое действие имеет строго определенное назначение.

Паук плетет паутину для достижения жизненно важных целей:

• ловли добычи;
• размножения;
• укрепления своих норок;
• страхования при падении;
• обмана хищников;
• облегчения передвижения по поверхностям.

Отряд пауков состоит из 42 тысяч видов, у каждого из которых есть свои предпочтения в использовании паутинной конструкции. Для удержания жертвы сетку используют все представители. Самцы — аранеморфы на сетке оставляют выделения семенной жидкости. Затем паук на паутине прогуливается, собирая выделения на органы совокупления.

После оплодотворения малыши формируются в защитном паутинном коконе. Некоторые самки на сетке оставляют ферромоны – вещества, привлекающие партнеров. Кругопряды обволакивают нитями листья, веточки. В результате получаются муляжи для отвлечения хищников. Серебрянки, живущие в воде, делают домики с воздушными полостями.

Размеры сети зависят от вида пауков. Некоторые тропические паукообразные создают «шедевры» с диаметром 2 м, способные удержать даже птицу. Обычные паутинные сети имеют меньшие размеры.
Интересно узнать – сколько паук плетет паутину. Зоологам удалось выяснить, что крестовик справляется с работой за несколько часов. На создание узоров большой площади у представителей жарких стран уходит несколько дней. Главную роль в процессе выполняют специальные органы.

Строение паутинных желез

На брюшке насекомого имеются выросты – паутинные бородавки с отверстиями в виде трубочек.
По этим протокам из паутинной железы наружу поступает вязкая жидкость. При попадании на воздух гель превращается в тонкие волокна.

Химический состав паутины

Уникальная способность выделяющегося раствора застывать объясняется структурными компонентами.

В состав жидкости содержится большая концентрация белка, содержащая следующие аминокислоты:

• глицин;
• аланин;
• серин.

Четвертичная структура белка при выталкивании из протока изменяется таким образом, что в результате формируются нити. Из нитевидных образований впоследствии получаются волокна, прочность которых
в 4 – 10 раз больше прочности человеческого волоса.,
в 1,5 – 6 раз прочнее стальных сплавов.

Теперь становится понятно — как паук плетет паутину между деревьями. Тонкие прочные волокна не разрываются, легко сжимаются, растягиваются, вращаются без скручивания, соединяют ветки в единую сеть.

Цель жизни паука – добыча белковой пищи. Ответ на вопрос «Почему пауки плетут паутину» очевиден. Прежде всего, для охоты на насекомых. Они изготавливают ловчую сеть сложной конструкции. Внешний вид узорчатых структур отличается.

• Чаще всего мы видим многоугольные сети. Иногда они бывают почти круглыми. Плетение от пауков требует невероятной сноровки и терпения. Сидя на верхней ветке, они формируют нить, которая зависает в воздухе. Если повезет, то нитка быстро зацепится за ветку в подходящем месте и паук, переместится на новую точку для дальнейшей работы. Если нитка никак не зацепляется, паук подтягивает ее к себе, съедает ее, чтобы продукт не пропадал, и начинает процесс заново. Постепенно формируя каркас, насекомое приступает к созданию радиальных основ. Когда и они будут готовы, дело остается за малым — сделать соединительные нити между радиусами;
• У воронковых представителей подход другой. Они изготавливают воронку и затаиваются на дне. Когда приближается жертва, паук выскакивает и затягивает ее в воронку;
• Некоторые особи формируют сеть из зигзагообраных нитей. Вероятность того, что жертва не выпутается из такого узора значительно больше;
• Паук с названием «бола» не утруждает себя, выплетает всего одну нить, на которой в конце находится капелька клея. Охотник выстреливает нитью в жертву, приклеивая ее намертво;
• Пауки – огры оказались еще хитрее. Они делает маленькую сетку между лапами, затем набрасывают на требуемый объект.

Конструкции зависят от условий проживания насекомых, их видовой принадлежности.

Заключение

Выяснив — как паук плетет паутину, каковы ее особенности, остается восхититься этим творением природы, пытаться создать что-то подобное. В нежных узорах вязанных шалей мастерицы копируют узоры. По аналогичным схемам делают антенны, сети для ловли рыб и животных. Полностью смоделировать процесс человеку пока не удалось.

Видео: Паук плетет паутину

Шелк, образующий радиальные нити паутины, состоит из двух белков, определяющих его прочность и эластичность. Каждый белок содержит три участка с разными свойствами. Первый формирует аморфную (некристаллическую), способную к растяжению матрицу, которая придает шелку эластичность. Когда насекомое попадает в паутину, матрица растягивается, поглощая кинетическую энергию соударения с насекомым. Жесткость шелку придают два вида кристаллических областей, встроенных в аморфные участки каждого из белков. Обе эти области имеют плотноупакованную структуру и не поддаются растяжению, причем один из них имеет жесткую конструкцию. Полагают, что кристаллические участки с менее жесткой конструкцией скрепляют жесткие кристаллические структуры с аморфной матрицей.
 Толщина нити паутины составляет всего лишь 0,1 диаметра человеческого волоса, однако в несколько раз прочнее стальной проволоки того же веса. В фильме «Человек-паук» прочность паутины сильно недооценена.
 Объяснение дает биолог Вильям Пёрвз (William K. Purves) из Колледжа Харви Мадд

Брюшко паука увеличенное в 12 т раз. Фабрика по производсту паутины.


Из подвижных трубок выприскивается белок, который, попав в воздух твердеет, образуя высокопрочную нить.


На рисунке слева кевлар, а справа нанотрубка − карбоновая нить. Тесты показывают более чем трехкратное провосходство в прочности. И это только начало.

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