Zooritual.su

Зоо Мир
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Прочность паутины паука

Паутина — её нить прочнее стали.

Как известно, паутинная нить прочнее стали. 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.

Шелк паука используется для нескольких целей. Поленизийские рыбаки используют нить золотого паука-кругопряда (Nephila) как леску. Некоторые племена в Новой Гвинеи использовали сети как шляпы, чтобы защитить головы от дождя.

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. Воспроизвести свойства паутины ученые пытались на протяжении нескольких десятилетий. Однако разводить пауков для коммерческого производства паутины невозможно — продуктивность паукообразных в этом вопросе очень низка; кроме того, они все время пытаются съесть друг друга.

Тутовый шелкопряд, напротив, успешно разводится на фермах и плетет огромное количество шелковых нитей.

Тутовый шелкопряд — это единственное полностью одомашненное насекомое, не встречающееся в природе в диком состоянии. Самки его даже «разучились» летать. Гусеницы шелкопряда завивают коконы, оболочки которых состоят из непрерывной шелковой нити длиной 300—900 м и до 1500 м в самых крупных коконах. Минус здесь в том, что такая шелковая нить очень хрупка.

Исследователи попытались объединить лучшие черты пауков и шелкопряда, трансплантируя гены пауков червям. Однако получившиеся в результате шеклопряды до сих пор не способны производить достаточное количество прочной нити.

Решить эту проблему удалось ученым из Вайоминга. Их трансгенные шелкопряды плетут такую шелковую нить, которая сопоставима по свойствам с паутиной, причем в огромном количестве. Использовать этот продукт можно в медицине в качестве шовного материала, а также в промышленности для создания более прочного пластика.

ЗАГАДКИ ПАУТИНЫ

Кандидат физико-математических наук Е. Лозовская

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.

Читать еще:  Пауки волгоградской области фото и названия

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.

Читать еще:  Кто такой паук

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.

7 интересных фактов о паутине и пауках

Большинство людей не любит или даже боится пауков. Не лучше они относятся и к паутине – эффективной ловушке, при помощи которой пауки ловят своих жертв. Между тем, паутина – одно из самых совершенных творений природы, которое отличается рядом удивительных свойств.

Изначально паутина хранится в жидком виде

Внутри паука паутина хранится в жидком виде и представляет собой белок с высоким содержанием глицина, серина и аланина. При выделении жидкости через прядильные трубочки, она мгновенно застывает и превращается в паутину.

Не вся паутина липкая

Радиальные нити паутины, по которым паук обычно передвигается внутри своей ловушки, не содержат клейкого вещества. Ловчие нити – более тонкие и легкие – располагаются кольцами и покрыты мельчайшими капельками клейкого вещества. Именно к ним им прилипают невнимательные жертвы паука.

Но даже если паук по каким-то причинам вынужден будет перейти с радиальной нити на кольцевую, то он все равно не прилипнет: все дело в волосках, которые покрывают ноги членистоногого. Когда паук наступает лапой на нить, волоски собирают все клейкие капли. После того как паук поднимает ногу, капли с волосков вновь стекают на нить паутины.

На прочность паутины влияют свет, температура и влажность

Клеящее вещество, которое скрепляет между собой нити паутины, меняет свою клейкость в зависимости от погодных условий. Установлено, что нахождение паутины в сухом и жарком месте уменьшает ее прочность. Прямые солнечные лучи еще больше ослабят соединения нитей между собой и сделают паутину еще менее прочной.

Пауки используют паутину не только для ловли добычи

Паутина используется пауками не только для изготовления превосходных ловушек. Например, некоторые виды используют паутину для брачных игр – самки оставляют длинную нить, идя по которой проходящий мимо самец сможет добраться до желанной цели.

Часто пауки оплетают паутиной свою норку. Другие используют нити в качестве канатов, по которым можно спуститься вниз. Если же паук живет на высоте, под своим убежищем он может протянуть несколько страховочных нитей, чтобы при падении была возможность за них зацепиться.

Оригинальный способ использования паутины нашли некоторые представители семейства пауков-кругопрядов, обитающих в тропических лесах Амазонии. Они сплетают нитью несколько веточек таким образом, чтобы сделать их похожими на насекомое. Затем, отойдя на некоторое расстояние, паук дергает за нити, заставляя муляж шевелиться, имитируя движения насекомого. Данный способ помогает паукам отвлекать внимание хищников и, пока враг исследует муляж, у членистоногого появляется возможность убежать.

Пауки некоторых видов оставляют на паутине электрический заряд

Настоящей неожиданностью стало известие о том, что пауки вида Uloborus Plumipes во время плетения своей сверхтонкой паутины дополнительно натирают ее ногами, что придает ловушке электрический заряд. Когда рядом с паутиной оказывается насекомое, обладающее электростатическим зарядом, ловушка моментально притягивается к нему со скоростью около 2 м/с.

Некоторые паутины поражают своей длиной

Паутина самок паука Дарвана может напугать даже самого смелого человека: ее ловчая площадь может достигать 28 000 см², а длина некоторых нитей насчитывает до 28 метров!

Читать еще:  Пауки сибири фото

Нити паука Дарвина, протянувшиеся над рекой

При этом скрепляющие нити подобных паутин отличаются высокой прочностью: например, они в 10 раз прочнее кевлара – материала, который используют в качестве армирующего компонента в бронежилетах

Некоторые пауки могут плести паутину даже под водой

Речь идет о пауке-серебрянке, который умеет подолгу находиться под водой. При погружении в воду между волосками его брюшка задерживаются пузырьки воздуха, которые паук использует для дыхания под водой.

Паук-серебрянка под водой | источник

Эти пузырьки в воде отливают серебром, благодаря чему паук и получил свое название. Запаса воздуха пауку хватает на долгое время: он успевает свить подводную паутину, переходящую иногда в надводную.

Почему паутина прочнее стали? Ученые раскрыли секрет пауков

Любите гулять в лесу? Тогда вы часто видите пауков. Вам никогда не приходило в голову, насколько прочна их паутина. Она даже крепче стали. Всего одна ниточка может выдержать современную ракету! Недавно биологи смогли найти разгадку этого феномена. Вы не поверите, но удивительная структура паутины — ключ к ее прочности. И это не фантастический роман, а правда!

Крепкие нити

Ученых давно интересовал вопрос прочности паутины. Для этого они стали исследовать нити не совсем обычного паука. Это очень ядовитый вид Loxosceles reclusa. Из своей паутины от делает не только сети для ловли добычи, но и специальные гнезда, куда откладывает яйца. У него очень длинные ноги и смертельный яд. Если человека укусит такое членистоногое, то возникает локсосцелизм. Место укуса воспаляется, а затем ткани начинают отмирать, потому что возникает гангрена.

Когда биологи подробно рассмотрели нити его паутины с помощью сильнейшего микроскопа, то весьма удивились. Оказалось, что эти самые нити, которые мы видим как тоненькие волокна (ведь они в тысячу раз тоньше, чем волос человека), сплетены в мощную «веревку», состоящую из нескольких сотен нановолокон. Они миниатюрные — диаметр каждого волокна — всего лишь 20 миллионных долей миллиметра. Эти волокна напоминают высокотехнологические кабели. Любая нить состоит из мельчайших наноструктур, менее 1 мкм в длину.

Конечно, они короткие, но не спешите с выводами. Они могут чуть ли не бесконечно растягиваться — почти в 50 раз, а то и больше. Это и определяет их прочность.

Мельчайшие волокна в естественной среде

Ученые давно подозревали, что паутина имеет такую уникальную структуру. Только вот доказать это было очень трудно. Многие считали, что из нановолокон пауки плетут только отдельные фрагменты своих сетей. Только исследование паутины «коричневых отшельников» — так в просторечии называют Loxosceles reclusa — привело к очень интересному открытию. Дело в том, что сети практически всех пауков имеют форму цилиндра. А вот ядовитые «отшельники» делают паутину, похожую на плоскую ленту. Ее отлично видно под атомным микроскопом, и можно очень подробно рассмотреть ее структуру.

Конечно, такое открытие было сделано не сразу. Биологи провели множество опытов и исследований. Некоторые свои выводы они опубликовали год назад. А недавно они обнаружили, что коричневые ядовитые пауки обладают еще и специальной техникой плетения сетей. Они работают, как швейные станки. В каждый микромиллиметр своего изделия они вкрапляют по двадцать особых «стежков» из мельчайших волокон. Благодаря им сеть становится потрясающе прочной.

Практическое использование

Открытие ученых в области структуры паутины может сыграть огромную роль в практической жизни людей. Представьте себе, что было бы, если бы мы умели синтезировать такие же суперпрочные и одновременно сверхлегкие нити, как это происходит в естественной среде! Строительство и пошив одежды, медицина и добывающая промышленность, даже освоение космоса — трудно найти сферу, где бы такие возможности не пригодились. Но проблема в том, что хотя ученые и пытаются, пока создать такие волокна не представляется возможным, и тем более производить их массово. Но благодаря таким открытиям мы шаг за шагом приходим к новым и совершенно удивительным технологиям, которые уже миллионы лет использует природа.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector