Кандидат физико-математических наук Е. Лозовская
Наука и жизнь // Иллюстрации
Клейкое вещество, покрывающее нить ловчей спирали, равномерно распределяется по паутине в виде капелек-бусинок. На снимке показано место присоединения двух фрагментов ловчей спирали к радиусу.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Начальные этапы построения ловчей сети пауком-крестовиком.
Логарифмическая спираль приближенно описывает форму вспомогательной спиральной нити, которую прокладывает паук при строительстве колесовидной ловчей сети.
Спираль Архимеда описывает форму клейкой ловчей нити.
Зигзагообразные нити - одна из особенностей тенет пауков рода Argiope.
Кристаллические области шелкового волокна имеют складчатую структуру, наподобие той, что изображена на рисунке. Отдельные цепи соединены водородными связями.
Юные паучки-крестовики, только что выбравшиеся из паутинного кокона.
Пауки семейства Dinopidae spinosa плетут сетку из паутины между своих ног и затем набрасывают ее на жертву.
Паук-крестовик (Araneus diadematus) известен своим умением плести большие колесовидные ловчие сети.
Некоторые виды пауков пристраивают к круглой ловушке еще и длинную "лестницу", которая существенно повышает эффективность охоты.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Так выглядят под микроскопом паутинные трубочки, из которых выходят нити паутинного шелка.
Возможно, пауки - не самые привлекательные создания, но их творение - паутина - не может не вызывать восхищения. Вспомните, как завораживает взгляд геометрическая правильность переливающихся на солнце тончайших нитей, растянутых между ветвями кустарника или среди высокой травы.
Пауки - одни из древнейших обитателей нашей планеты, заселившие сушу более 200 миллионов лет назад. В природе насчитывается около 35 тысяч видов пауков. Эти восьминогие существа, обитающие повсеместно, узнаваемы всегда и всюду, несмотря на различия в окраске и размерах. Но самая главная их отличительная особенность - это способность производить паутинный шелк, непревзойденное по прочности натуральное волокно.
Пауки используют паутину для самых разных целей. Они делают из нее коконы для яиц, строят убежища для зимовки, используют в качестве "страховочного каната" при прыжках, плетут замысловатые ловчие сети и заворачивают пойманную добычу. Готовая к спариванию самка производит паутинную нить, помеченную феромонами, благодаря чему самец, двигаясь вдоль нити, легко находит партнершу. Молодые пауки некоторых видов улетают из родительского гнезда на длинных нитях, подхваченных ветром.
Питаются пауки в основном насекомыми. Ловчие приспособления, которыми они пользуются для добывания пищи, бывают самых разных форм и видов. Некоторые пауки просто протягивают несколько сигнальных нитей рядом со своим убежищем и, как только насекомое задевает за нить, бросаются на него из засады. Другие - выбрасывают нить с клейкой каплей на конце вперед, как своеобразный аркан. Но вершина конструкторской деятельности пауков - это все-таки круглые колесовидные тенета, расположенные горизонтально или вертикально.
Чтобы построить колесовидную ловчую сеть, паук-крестовик, обычный обитатель наших лесов и садов, выпускает довольно длинную прочную нить. Ветерок или восходящий поток воздуха поднимает нить вверх, и, если место для постройки паутины выбрано удачно, она цепляется за ближайшую ветку или другую опору. Паук проползает по ней, чтобы закрепить конец, иногда прокладывая для прочности еще одну нить. Затем он выпускает свободно свисающую нить и к ее середине прикрепляет третью, так что получается конструкция в форме буквы Y - первые три радиуса из более чем полусотни. Когда радиальные нити и рама готовы, паук возвращается в центр и начинает прокладывать временную вспомогательную спираль - что-то вроде "строительных лесов". Вспомогательная спираль скрепляет конструкцию и служит пауку дорожкой при построении ловчей спирали. Весь основной каркас сети, включая радиусы, делается из неклейкой нити, а вот для ловчей спирали используется двойная нить, покрытая клеящим веществом.
Удивительно то, что эти две спирали имеют разную геометрическую форму. Временная спираль имеет относительно мало витков, и расстояние между ними с каждым витком увеличивается. Происходит это потому, что, прокладывая ее, паук движется под одинаковым углом к радиусам. Форма получившейся ломаной линии близка к так называемой логарифмической спирали.
Липкая ловчая спираль строится по другому принципу. Паук начинает с края и продвигается к центру, сохраняя одинаковое расстояние между витками, и получается спираль Архимеда. При этом он обкусывает нити вспомогательной спирали.
Паутинный шелк производится особыми железами, расположенными в задней части брюшка паука. Известно по крайней мере семь типов паутинных желез, производящих разные нити, но ни у одного из известных видов пауков не встречаются все семь типов сразу. Обычно у паука от одной до четырех пар этих желез. Плетение паутины дело не быстрое, и на построение ловчей сети среднего размера уходит примерно полчаса. Чтобы переключиться на производство паутины другого вида (для ловчей спирали), пауку требуется минутная передышка. Пауки часто используют паутину повторно, съедая остатки ловчей сети, поврежденной дождем, ветром или насекомыми. Паутина переваривается в их организме с помощью специальных ферментов.
Структура паутинного шелка идеально отработана за сотни миллионов лет эволюции. Этот природный материал сочетает в себе два чудесных свойства - прочность и эластичность. Сеть из паутины способна остановить насекомое, летящее на полной скорости. Нить, из которой пауки плетут основу своей ловчей сети, тоньше человеческого волоса, а ее удельная (то есть пересчитанная на единицу массы) прочность на разрыв выше, чем у стали. Если сравнивать паутинную нить со стальной проволокой такого же диаметра, то они выдержат примерно одинаковый вес. Но паутинный шелк в шесть раз легче, а значит, в шесть раз прочнее.
Подобно человеческому волосу, шерсти овцы и шелку коконов гусеницы шелкопряда, паутина состоит в основном из белков. По аминокислотному составу белки паутины - спидроины - относительно близки к фиброинам, белкам, из которых состоит шелк, вырабатываемый гусеницами шелкопряда. И те и другие содержат необычно много аминокислот аланина (25%) и глицина (около 40%). Участки белковых молекул, богатые аланином, образуют плотно упакованные в складки кристаллические области, обеспечивающие высокую прочность, а те участки, где больше глицина, представляют собой более аморфный материал, способный хорошо растягиваться и тем самым придающий нити эластичность.
Как же образуется такая нить? На этот вопрос пока нет полного и ясного ответа. Наиболее подробно процесс прядения паутины был изучен на примере ампуловидной железы паука-кругопря да Nephila clavipes. Ампуловидная железа, производящая самый прочный шелк, состоит из трех основных отделов: центрального мешочка, очень длинного изогнутого канала и трубочки с выходным отверстием. Из клеток на внутренней поверхности мешочка выходят маленькие сферические капельки, содержащие молекулы белка спидроина двух типов. Этот вязкий раствор перетекает в хвостовую часть мешочка, где другие клетки выделяют белки другого типа - гликопротеины. Благодаря гликопротеинам образующееся волокно приобретает жидкокристаллическую структуру. Жидкие кристаллы замечательны тем, что, с одной стороны, они имеют высокую степень упорядоченности, а с другой - сохраняют текучесть. Пока густая масса движется к выходному отверстию, длинные молекулы белков ориентируются и выстраиваются параллельно друг другу в направлении оси формирующегося волокна. При этом между ними образуются межмолекулярные водородные связи.
Человечество скопировало многие из конструкторских находок природы, но такой сложный процесс, как прядение паутины, воспроизвести пока не удается. Эту непростую задачу ученые сейчас пытаются решить с помощью биотехнологических приемов. Первым шагом стало выделение генов, ответственных за производство белков, из которых состоит паутина. Эти гены были внедрены в клетки бактерий и дрожжей (см. "Наука и жизнь" № 2, 2001 г.). Канадские генетики пошли еще дальше - они вывели генетически модифицированных коз, молоко которых содержит растворенные белки паутины. Но проблема не только в том, чтобы получить белок паутинного шелка, необходимо смоделировать природный процесс прядения. А этот урок природы ученым еще предстоит выучить.
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.
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.
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
В XVIII веке некто Бон из Монпелье связал себе пару чулок и перчаток из паутины. Этот опыт использования паутинной нити для текстильных целей оказался единственным. В настоящее время паутина применяется лишь в качестве перекрестий точных оптических приборов.
Паутина синтезируется из аминокислот в крови паука. Происходит это в клетках, находящихся в стенках паутинных желез. Паутина производится капельками; они сливаются в пустотелой центральной части железы. Эта вязкая жидкость фактически представляет собой концентрированный раствор паутины. Раствор накапливается в железах до тех пор, пока у паука не появится потребность в паутине и она не потянется из протоков паутинных бородавок. Паутина быстро вытягивается в тонкую нить и сразу же переходит из вязкого состояния в твердое.
Вещества, которые могут быть вытянуты в нити,- обычно высокомолекулярные полимеры. Состоят они из длинных тонких молекул. Молекулы скручены, когда находятся в растворе. Однако, если они вытянуты из тонкого отверстия, они разворачиваются и располагаются по всей длине волокна. Молекулы удерживаются в этом положении поперечными связями, которые образуются между соседними цепями.
Передвигаясь, паук обычно плетет двойную нить - так называемую висячую. Она удерживает его от падения и прикрепляется с помощью присоединительных дисков всякий раз, когда паук должен опуститься.
Висячая нить иногда усиливается двумя более тонкими нитями. Они используются и для изготовления наружного каркаса и радиальных нитей ловчей сети. Другая основная часть ловчей сети - спиральная нить; она фактически и захватывает попадающих на нее мух.
Вся сеть очень липка и чрезвычайно эластична. Липкость ей придает множество капелек очень вязкого вещества, которое покрывает обе паутинки и удерживает их вместе. При малейшем соприкосновении с вязкой нитью муха прилипает. Нить может растягиваться, не разрываясь, как бы сильна ни была жертва. Обычно это приводит к тому, что муха запутывается и в соседних липких нитях. Удерживая муху, паук челюстями, ногощу-пальцами и передними лапками вращает ее, в то время, как задние его лапки вытягивают паутину из паутинных бородавок. Муха оказывается, таким образом, в паутинном «бинте», и паук часто уносит жертву в свое убежище, где ее ждет участь либо быть съеденной сразу, либо быть подвешенной «про запас».
Имеется и еще одна паутина; она используется для изготовления кокона. Этой нитью паук обволакивает яйца, откладываемые осенью. Кокон защищает яйца от непогоды и посягательств различных хищников.
Паутина состоит из белков. Белки, как известно, играют важнейшую роль в строении и работе всех живых организмов. Из них состоит миозин в мускулах, коллаген в соединительных тканях, гемоглобин в крови, а также ферменты, которые управляют всеми химическими реакциями в живом организме.
Белки - крупные молекулы, построенные из двадцати различных аминокислот. Молекула белка паутины может состоять из одной или нескольких цепей, связанных в одном или нескольких местах. Прочные поперечные связи образованы аминокислотой цистином, может «цепляться» к двум различным цепям. Цистин может также образовать связь между различными частями одной и той же цепи, образуя петли.
Двадцать аминокислот могут образовать огромное количество различных белков. Одна из основных целей, к которой стремятся химики, занимающиеся белками, - установить количество аминокислот в белке и их взаиморасположение.
Для определения аминокислотного состава разлагают на составляющие его аминокислоты кипячением в соляной кислоте. Затем из смеси аминокислот выделяют все компоненты. Двадцать пять лет тому назад это было довольно сложной процедурой, требовавшей большого количества материала и времени и к тому же не всегда дававшей точные результаты. В настоящее время полный анализ аминокислот может быть осуществлен на нескольких миллиграммах материала за один день. Ученые создали аппарат, в котором смесь аминокислот сначала разлагается на компоненты, а затем количество их автоматически регистрируется и записывается в виде графиков.
Эти аналитические методы применены при анализе ряда паутин. Существует большая разница в составах нити кокона и висячей нити. Основные аминокислоты первой - аланин и серин, второй - глицин и аланин. Более чем наполовину белок в каждом случае образован лишь двумя аминокислотами, хотя в них присутствуют и многие другие аминокислоты. Больше всего в паутине аминокислот с очень короткими боковыми цепями.
Знать, как располагаются аминокислоты в белке, очень важно. Но это еще не дает возможности объяснить все свойства волокон. Эти свойства зависят в значительной степени от того, как цепи расположены относительно друг друга.
В 1913 году отец и сын Брэгги показали, что кристалл любого вещества, вращаемый в рентгеновских лучах, отражает их под некоторыми определенными углами, так как он состоит из упорядочено расположенных атомов, которые образуют плоскости отражения. В том же году два японца - Никишава и Оно - установили, что многие волокна, которые, как предполагалось, не имели кристаллической структуры, тоже дают определенные отражения.
Существующие рентгенограммы паутинных нитей выглядят невыразительно, если сравнивать их с рентген граммами истинных кристаллов, однако они могут дать значительную информацию о структуре паутины. Тот факт, что такая рентгенограмма содержит пятна, свидетельствует о наличии в волокнах паутины кристаллических участков, имеющих упорядоченное расположение атомов. Заслуга определения структуры этих кристаллических участков принадлежит прежде всего профессору Лайнусу Полингу из Калифорнийского технологического института и профессору Уорвиккеру.
Благодаря этим исследованиям мы знаем, что почти у всех видов паутины похожая структура. Примерное представление о ней можно получить, начертив несколько равноотстоящих параллельных линий на листке бумаги, а затем собрав в складки этот лист под прямыми углами к линиям. Линии представляют собой длинные пептидные цепи, а места, где они пересекаются со складками, обозначают положения атомов углерода, от которых отходят боковые цепи. Они идут под прямыми углами к плоскости листа.
А теперь рассмотрим какое-то количество аналогичных листов, сложенных вместе; плотность их «упаковки» будет зависеть от размеров И-групп. Почти все паутины имеют цепи, расположенные аналогичным образом в пределах листов, и отличаются лишь расстоянием между листами: оно колеблется от 3,3 до 15,6 ангстрем.
Нить паутины под - это длинные правильные цилиндры с почти правильным круговым поперечным сечением. Один способ сравнения тонкости волокон - указать вес определенной длины волокна. Для паутины он обычно выражается в денье - весе в граммах 9 километров нити. В этой системе измерения нить шелковичного червя весит 1 денье, в то время как человеческий волос - 40-50 денье. Вес нити кокона паука - 0,7 денье, а висячей нити - еще меньше, 0,07 денье. Висячая нить, обвившая земной шар по экватору, весила бы лишь около 340 граммов.
Прочность и растяжимость нитей имеют важное значение для текстильной промышленности. Чтобы сравнить нити различной толщины, их крепость обычно выражают через прочность на разрыв, то есть через разрывную нагрузку, деленную на денье. Разрывная прочность, таким образом, выражается в граммах на денье. Средняя разрывная прочность нитей кокона составляет 2,2 г/денье, а висячей нити-7,8 г/денье. Удлинение к моменту разрыва достигает соответственно 46% и 31%.
В отличие от висячей нити, нить кокона сравнительно непрочна, и это объясняется ее назначением. Она и не должна выдерживать большие напряжения, ее задача - создавать защитную оболочку для яиц кокона. Для этого паук плетет шестислойную пряжу из вьющейся нити. Каждая нить кокона состоит из шести паутинок. Эта паутинная оболочка напоминает объемную пряжу, которая была разработана в последние годы для изготовления эластичного трикотажа из искусственных волокон.
Спиральная нить ловчей сети, которая образует липкую паутинную ловушку, очень эластична. Ее растяжение и сжатие полностью обратимы, и в этом отношении она напоминает резину.
Одна из задач промышленности искусственных материалов заключается в том, чтобы поставлять покупателям материалы с определенными свойствами. Ткань для нижнего белья, например, должна сохранять тепло и поглощать влагу, а для корда покрышек необходима очень прочная ткань.
Разработка искусственных белковых волокон находится еще в зачаточном состоянии, поскольку мы пока еще не можем создать длинные цепи со сложной аминокислотной структурой. Можно, однако, взять одну аминокислоту и полимеризовать ее в длинные цепи, например, в полиаланин или пол и метил глютамаг, получив из них хорошие ткани. Можно также получить высокомолекулярные полимеры с повторяющейся дипептидной последовательностью, например, …глицин - аланин - глицин - аланин - глицин-аланин…
Дальнейшее изучение различных видов паутины - вот тот путь, который наверняка поможет нам в создании искусственных белковых волокон.
P. S. О чем еще говорят британские ученые: о том, что в будущем на основе более детального, молекулярного изучения, как паутинной нити, так и других природных материалов ученные смогут получить различные ультраполезные вещи для нашего быта, к примеру, сверхпрочные
жби изделия , сделанные из специальных полимеров или еще что-то в таком роде.
