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.

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.

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.

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.