¿Por qué la web es tan fuerte? cuerda web

En el siglo XVIII, un tal Bon de Montpellier tejió un par de medias y guantes con telas de araña. Esta experiencia de utilizar hilo de araña con fines textiles resultó ser la única. Actualmente, las telas de araña se utilizan únicamente como miras para instrumentos ópticos de precisión.

La telaraña se sintetiza a partir de aminoácidos en la sangre de la araña. Esto sucede en las células ubicadas en las paredes de las glándulas aracnoideas. La red se produce en gotas; se fusionan en la parte central hueca de la glándula. Este líquido viscoso es en realidad una solución concentrada de telas de araña. La solución se acumula en las glándulas hasta que la araña necesita la tela y la extrae de los conductos de las verrugas aracnoideas. La red se estira rápidamente hasta formar un hilo fino e inmediatamente pasa de un estado viscoso a uno sólido.

Las sustancias que pueden formar hilos suelen ser polímeros de alto peso molecular. Están formados por moléculas largas y delgadas. Las moléculas se tuercen cuando están en solución. Sin embargo, si se sacan de un agujero delgado, se despliegan y se colocan a lo largo de toda la fibra. Las moléculas se mantienen en esta posición mediante enlaces cruzados que se forman entre cadenas adyacentes.

Cuando se mueve, la araña suele tejer un hilo doble, el llamado hilo colgante. Evita que se caiga y se sujeta con discos de conexión cada vez que la araña necesita descender.

El hilo que cuelga a veces se refuerza con dos hilos más finos. También se utilizan para fabricar el marco exterior y los hilos radiales de la red de pesca. La otra parte principal de la red de captura es el hilo en espiral; en realidad captura las moscas que caen sobre él.

Toda la red es muy pegajosa y extremadamente elástica. Lo que lo hace pegajoso son las numerosas gotas de una sustancia muy viscosa que cubre ambas redes y las mantiene unidas. Al menor contacto con el hilo viscoso, la mosca se pega. El hilo puede estirarse sin romperse, por muy fuerte que sea la víctima. Esto suele provocar que la mosca se enrede en hilos pegajosos cercanos. Sosteniendo la mosca, la araña la hace girar con sus mandíbulas, dedos y patas delanteras, mientras que sus patas traseras arrancan la red de las verrugas aracnoideas. La mosca acaba entonces envuelta en una “venda” de telaraña y la araña suele llevar a la víctima a su refugio, donde la come inmediatamente o la cuelga “en reserva”.

Hay otra red; se utiliza para hacer un capullo. La araña envuelve con este hilo los huevos puestos en otoño. El capullo protege los huevos del mal tiempo y de los ataques de diversos depredadores.

La red está formada por proteínas. Se sabe que las proteínas desempeñan un papel vital en la estructura y funcionamiento de todos los organismos vivos. Consisten en miosina en los músculos, colágeno en tejidos conectivos, hemoglobina en la sangre, así como enzimas que controlan todos reacciones quimicas en un organismo vivo.

Las proteínas son moléculas grandes construidas a partir de veinte aminoácidos diferentes. Una molécula de proteína de tela de araña puede consistir en una o más cadenas unidas en uno o más lugares. El aminoácido cistina forma fuertes enlaces cruzados, que pueden “adherirse” a dos cadenas diferentes. La cistina también puede formar un enlace entre varias partes la misma cadena, formando bucles.

Veinte aminoácidos pueden formar una gran cantidad de proteínas diferentes. Uno de los principales objetivos por los que se esfuerzan los químicos de proteínas es determinar la cantidad de aminoácidos en una proteína y sus posiciones relativas.

Para determinar la composición de aminoácidos, se descompone en sus aminoácidos constituyentes hirviéndolos en ácido clorhídrico. Luego se aíslan todos los componentes de la mezcla de aminoácidos. Hace veinticinco años éste era un procedimiento bastante complicado, que requería una gran cantidad de material y tiempo y, además, no siempre daba resultados precisos. Actualmente, se puede realizar un análisis completo de aminoácidos en unos pocos miligramos de material en un solo día. Los científicos han creado un dispositivo en el que primero se descompone una mezcla de aminoácidos en componentes y luego sus cantidades se registran automáticamente y se registran en forma de gráficos.

Estos métodos analíticos se han utilizado para analizar varias webs. Hay una gran diferencia en la composición del hilo del capullo y del hilo para colgar. Los principales aminoácidos del primero son alanina y serina, el segundo es glicina y alanina. Más de la mitad de las proteínas en cada caso está formada por sólo dos aminoácidos, aunque también están presentes muchos otros aminoácidos. La mayor parte de la red contiene aminoácidos con cadenas laterales muy cortas.

Es muy importante saber cómo se organizan los aminoácidos en las proteínas. Pero esto todavía no permite explicar todas las propiedades de las fibras. Estas propiedades dependen en gran medida de cómo se colocan las cadenas entre sí.

En 1913, padre e hijo Bragg demostraron que un cristal de cualquier sustancia, girado en rayos X, los refleja en ciertos ángulos, ya que está formado por átomos ordenados que forman planos de reflexión. Ese mismo año, dos japoneses, Nikishawa y Ono, descubrieron que muchas fibras que se suponía no tenían estructura cristalina también daban ciertos reflejos.

Los patrones de difracción de rayos X existentes en los hilos de araña parecen insignificantes en comparación con las imágenes de rayos X de cristales verdaderos, pero pueden proporcionar información significativa sobre la estructura de la red. El hecho de que tal patrón de rayos X contenga manchas indica la presencia en las fibras de la red de regiones cristalinas con una disposición ordenada de átomos. El mérito de determinar la estructura de estas regiones cristalinas es principalmente del profesor Linus Pauling del Instituto de Tecnología de California y del profesor Warwicker.

Gracias a estos estudios sabemos que casi todos los tipos de webs tienen una estructura similar. Se puede obtener una idea aproximada dibujando varias líneas paralelas igualmente espaciadas en una hoja de papel y luego doblando esta hoja en ángulo recto con las líneas. Las líneas representan las largas cadenas peptídicas y los lugares donde cruzan los pliegues indican las posiciones de los átomos de carbono desde donde se extienden las cadenas laterales. Van en ángulo recto con el plano de la hoja.

Ahora consideremos un cierto número de hojas similares plegadas; la densidad de su “empaquetamiento” dependerá del tamaño de los grupos I. Casi todas las redes tienen cadenas dispuestas de forma similar dentro de las láminas, y se diferencian únicamente en la distancia entre las láminas: oscila entre 3,3 y 15,6 angstroms.

Los hilos de la red que se encuentran debajo son cilindros largos y regulares con una sección transversal circular casi regular. Una forma de comparar la finura de las fibras es informar el peso de una longitud específica de fibra. En el caso de las telas de araña, normalmente se expresa en denier: el peso en gramos de 9 kilómetros de hilo. En este sistema de medición, un hilo de gusano de seda pesa 1 denier, mientras que un cabello humano pesa entre 40 y 50 denier. El peso del hilo del capullo de araña es de 0,7 deniers y el del hilo para colgar es aún menor, 0,07 deniers. Un hilo colgante enrollado alrededor del globo en el ecuador pesaría sólo unos 340 gramos.

La resistencia y el alargamiento de los hilos son importantes para la industria textil. Para comparar hilos de diferentes espesores, su resistencia generalmente se expresa en términos de resistencia a la tracción, es decir, carga de rotura dividida por denier. La resistencia a la tracción se expresa así en gramos por denier. La resistencia media a la tracción de los hilos capullo es de 2,2 g/denier y la de los hilos colgantes es de 7,8 g/denier. El alargamiento en el momento de la rotura alcanza el 46% y el 31%, respectivamente.

A diferencia del hilo colgante, el hilo del capullo es relativamente débil y esto se explica por su finalidad. No debe soportar grandes tensiones; su tarea es crear una cáscara protectora para los huevos del capullo. Para hacer esto, la araña teje un hilo de seis capas a partir de un hilo rizado. Cada hilo del capullo consta de seis redes. Esta aracnoides recuerda al voluminoso hilo que se ha desarrollado en los últimos años para fabricar prendas de punto elásticas a partir de fibras sintéticas.

El hilo en espiral de la red de captura, que forma la trampa adhesiva, es muy elástico. Su expansión y compresión son completamente reversibles y en este sentido se parece al caucho.

Uno de los retos de la industria materiales artificiales es suministrar a los clientes materiales con determinadas propiedades. La tela de la ropa interior, por ejemplo, debe retener el calor y absorber la humedad, mientras que los cordones de los neumáticos requieren una tela muy duradera.

El desarrollo de fibras proteicas artificiales está todavía en sus inicios, ya que todavía no podemos crear cadenas largas con estructuras complejas de aminoácidos. Sin embargo, es posible tomar un aminoácido y polimerizarlo en cadenas largas, como polialanina o poli y metil glutamato, para producir buenos tejidos. También es posible obtener polímeros de alto peso molecular con una secuencia dipeptídica repetitiva, por ejemplo... glicina - alanina - glicina - alanina - glicina-alanina...

Estudio adicional varios tipos Las telarañas son la forma que sin duda nos ayudará a crear fibras proteicas artificiales.

P.D. ¿De qué más hablan los científicos británicos? Que en el futuro, basándose en un estudio molecular más detallado tanto del hilo de araña como de otros materiales naturales, los científicos podrán obtener varias cosas muy útiles para nuestra vida cotidiana, por ejemplo, ultra fuerte
Productos de hormigón armado hechos de polímeros especiales o algo así.

Se consideran los materiales más duraderos del mundo. web. Su elasticidad y resistencia son tales que si fuera posible hacer una red (conservando todas sus propiedades) al menos del grosor de un lápiz, sería fácil colgar en ella un tanque moderno.

Además, el proceso de trabajo de la araña está depurado a la categoría más alta; las empresas industriales modernas están lejos de esto.

Además, la araña no hace “sólo” una telaraña, sino precisamente la que necesita en ese momento concreto. Cambiar de ubicación es una, pescar comida es otra, “construir” un hogar es la tercera. Una red de pesca generalmente se crea a partir de varios tipos de redes, que se diferencian entre sí por sus características. Sin embargo, para cambiar el "modelo", la araña no cambia de carril y no detiene su transportador: siempre "sabe" qué hilo necesita.

Para hacer la conocida telaraña clásica en forma de rueda, la araña primero tira de algo así como una "base": hilos no muy pegajosos y pesados ​​​​de gran diámetro, luego les coloca "radios" más delgados y solo entonces enreda el espacio restante en el centro con espirales casi invisibles, de lo más peligrosas y adhesivas, que actúan como trampa para varios insectos.

La araña rapera no teje ninguna red. Hace un hilo fino con una bola pegajosa al final, después de lo cual agita militantemente esta arma hacia lados diferentes. Al mismo tiempo, emite un aroma similar al que emiten las polillas hembras que buscan pareja. Las polillas crédulas acuden al olor, pero como resultado reciben un golpe en la frente con una bola pegajosa y se convierten en cena para la araña.

Para sus paseos, la araña teje una tela suave, espesa y esponjosa: ¿quién quiere caer en su propia trampa? Y si el artesano quiere cambiar de lugar de residencia, lanza una red de paracaídas especial que, atrapada por el viento, puede transportar a su propietario a largas distancias.

Y algo más de información interesante sobre las arañas. Hace varios años, los científicos de Madagascar descubrieron una nueva especie de araña que es capaz de tejer una red de hasta 25 metros de largo y de la fuerza y ​​​​el grosor adecuados (hasta ahora es un récord mundial). La araña extiende sus enormes redes no entre arbustos comunes, sino a través de lagos y ríos, para atrapar insectos que vuelan en círculos sobre el agua.

Y el año pasado, los científicos pudieron determinar cómo se ve una telaraña en sección transversal. Resultó que la red era un hilo de proteínas que parecía una pila de panqueques. El diámetro de cada “panqueque” es de 3 nanómetros y está conectado con su vecino mediante enlaces de hidrógeno.

Cualquiera puede quitar fácilmente las telarañas que cuelgan entre las ramas de un árbol o debajo del techo en el rincón más alejado de la habitación. Pero pocas personas saben que si la red tuviera un diámetro de 1 mm, podría soportar una carga de aproximadamente 200 kg. El alambre de acero del mismo diámetro puede soportar mucho menos: 30 a 100 kg, según el tipo de acero. ¿Por qué la web tiene propiedades tan excepcionales?

Algunas arañas tejen hasta siete tipos de hilos, cada uno de los cuales tiene su propio propósito. Los hilos se pueden usar no solo para atrapar presas, sino también para construir capullos y lanzarse en paracaídas (al despegar con el viento, las arañas pueden escapar de una amenaza repentina y las arañas jóvenes se propagan a nuevos territorios de esta manera). Cada tipo de red es producida por glándulas especiales.

La red que se utiliza para atrapar presas consta de varios tipos de hilos (Fig. 1): marco, radial, receptor y auxiliar. El mayor interés de los científicos es el hilo del marco: tiene una gran resistencia y una gran elasticidad; es esta combinación de propiedades la que la hace única. Resistencia máxima a la tracción del hilo del marco de la araña. Araneus diadematus es 1,1–2,7. A modo de comparación: la resistencia a la tracción del acero es de 0,4 a 1,5 GPa y la del cabello humano es de 0,25 GPa. Al mismo tiempo, la rosca del marco se puede estirar entre un 30% y un 35% y la mayoría de los metales pueden soportar una deformación de no más del 10% al 20%.

Imaginemos un insecto volador que choca contra una red extendida. En este caso, el hilo de la red debe estirarse para que la energía cinética del insecto volador se convierta en calor. Si la red almacenara la energía recibida en forma de energía de deformación elástica, entonces el insecto rebotaría en la red como si fuera un trampolín. Una propiedad importante de la web es que emite muy gran número Calor durante el estiramiento rápido y la contracción posterior: la energía liberada por unidad de volumen es más de 150 MJ/m 3 (el acero libera 6 MJ/m 3). Esto permite que la red disipe eficazmente la energía del impacto y no se estire demasiado cuando una víctima queda atrapada en ella. Telas de araña o polímeros con propiedades similares podrían ser materiales ideales para chalecos antibalas ligeros.

EN medicina popular Existe una receta de este tipo: para detener el sangrado, puede aplicar una telaraña sobre una herida o abrasión, limpiándola con cuidado de insectos y pequeñas ramitas atrapadas. Resulta que las telas de araña tienen un efecto hemostático y aceleran la curación de la piel dañada. Los cirujanos y trasplantólogos podrían utilizarlo como material para suturar, fortalecer implantes e incluso como espacio en blanco para órganos artificiales. Utilizando telas de araña se pueden mejorar significativamente las propiedades mecánicas de muchos materiales utilizados actualmente en medicina.

Entonces, la telaraña es un material inusual y muy prometedor. ¿Qué mecanismos moleculares son responsables de sus excepcionales propiedades?

Estamos acostumbrados al hecho de que las moléculas son objetos extremadamente pequeños. Sin embargo, esto no es siempre así: a nuestro alrededor están muy extendidos los polímeros, que tienen moléculas largas formadas por unidades idénticas o similares. Todo el mundo sabe que la información genética de un organismo vivo está fijada en largas moléculas de ADN. Todos sostenían en sus manos bolsas de plástico, formadas por largas moléculas de polietileno entrelazadas. Las moléculas de polímero pueden alcanzar tamaños enormes.

Por ejemplo, la masa de una molécula de ADN humano es de aproximadamente 1,9·10 12 uma. (sin embargo, esto es aproximadamente cien mil millones de veces más que la masa de una molécula de agua), la longitud de cada molécula es de varios centímetros y la longitud total de todas las moléculas de ADN humano alcanza los 10 11 km.

La clase más importante de polímeros naturales son las proteínas; están formadas por unidades llamadas aminoácidos. Las diferentes proteínas desempeñan funciones extremadamente diferentes en los organismos vivos: controlan reacciones químicas, se utilizan como materiales de construcción, como protección, etc.

El hilo de andamio de la red consta de dos proteínas, que se llaman espidroínas 1 y 2 (del inglés araña- araña). Las espidroínas son moléculas largas con masas que oscilan entre 120.000 y 720.000 uma. Las secuencias de aminoácidos de las espidroínas pueden diferir de una araña a otra, pero todas las espidroínas tienen características comunes. Si estira mentalmente una molécula larga de espidroína en línea recta y observa la secuencia de aminoácidos, resulta que consiste en secciones repetidas que son similares entre sí (Fig. 2). En la molécula se alternan dos tipos de regiones: relativamente hidrófilas (las que son energéticamente favorables al contacto con las moléculas de agua) y relativamente hidrófobas (las que evitan el contacto con el agua). En los extremos de cada molécula hay dos regiones hidrófilas no repetitivas, y las regiones hidrófobas constan de muchas repeticiones de un aminoácido llamado alanina.

Una molécula larga (p. ej., proteína, ADN, polímero sintético) puede considerarse como una cuerda arrugada y enredada. Estirarlo no es difícil, porque los bucles dentro de la molécula se pueden enderezar, lo que requiere relativamente poco esfuerzo. Algunos polímeros (como el caucho) pueden estirarse hasta un 500% de su longitud original. Por tanto, no sorprende la capacidad de las telas de araña (un material formado por moléculas largas) para deformarse más que los metales.

¿De dónde viene la fuerza de la web?

Para entender esto, es importante seguir el proceso de formación del hilo. Dentro de la glándula araña, las espidroínas se acumulan en forma de una solución concentrada. Cuando se forma el filamento, esta solución sale de la glándula a través de un canal estrecho, esto ayuda a estirar las moléculas y orientarlas en la dirección del estiramiento, y los cambios químicos correspondientes hacen que las moléculas se peguen. Fragmentos de moléculas que consisten en alaninas se unen y forman una estructura ordenada, similar a un cristal (Fig. 3). Dentro de dicha estructura, los fragmentos se encuentran paralelos entre sí y unidos entre sí mediante enlaces de hidrógeno. Son estas áreas, entrelazadas entre sí, las que proporcionan la resistencia de la fibra. El tamaño típico de regiones de moléculas tan densamente empaquetadas es de varios nanómetros. Las zonas hidrofílicas situadas a su alrededor resultan estar enrolladas al azar, como si fueran cuerdas arrugadas; pueden enderezarse y así asegurar el estiramiento de la red;

Muchos materiales compuestos, como los plásticos reforzados, se construyen según el mismo principio que el hilo del andamio: en una matriz relativamente blanda y flexible, que permite la deformación, hay pequeñas áreas duras que hacen que el material sea fuerte. Aunque los científicos de materiales llevan mucho tiempo trabajando con sistemas similares, los compuestos fabricados por el hombre apenas empiezan a acercarse en sus propiedades a las telarañas.

Curiosamente, cuando la red se moja, se contrae mucho (este fenómeno se llama supercontracción). Esto ocurre porque las moléculas de agua penetran en la fibra y hacen que las regiones hidrofílicas desordenadas sean más móviles. Si la red se estiró y se combó debido a los insectos, en un día húmedo o lluvioso se contrae y al mismo tiempo recupera su forma.

Nota también característica interesante formación de hilos. La araña extiende la tela bajo la influencia de su propio peso, pero la tela resultante (con un diámetro de hilo de aproximadamente 1 a 10 μm) generalmente puede soportar una masa seis veces mayor que la de la propia araña. Si aumenta el peso de la araña girándola en una centrífuga, comienza a secretar una red más gruesa y duradera, pero menos rígida.

Cuando se trata de utilizar telas de araña, surge la pregunta de cómo obtenerlas en cantidades industriales. En el mundo existen instalaciones para "ordeñar" arañas, que arrancan los hilos y los enrollan en carretes especiales. Sin embargo, este método es ineficaz: para acumular 500 g de telaraña se necesitan 27 mil arañas de tamaño mediano. Y aquí la bioingeniería viene en ayuda de los investigadores. Tecnologías modernas permiten introducir genes que codifican proteínas de telaraña en diversos organismos vivos, como bacterias o levaduras. Estos organismos genéticamente modificados se convierten en fuentes de redes artificiales. Proteínas obtenidas por métodos. ingeniería genética, se llaman recombinantes. Tenga en cuenta que, por lo general, las espidroínas recombinantes son mucho más pequeñas que las naturales, pero la estructura de la molécula (alternancia de regiones hidrofílicas e hidrofóbicas) permanece sin cambios.

Hay confianza en que la red artificial no será inferior en sus propiedades a la natural y encontrará su aplicación práctica como material duradero y respetuoso con el medio ambiente. En Rusia, varios grupos científicos de distintos institutos estudian conjuntamente las propiedades de la red. La producción de telaraña recombinante se realiza en el Instituto Estatal de Investigaciones en Genética y Selección de Microorganismos Industriales, físicos y propiedades quimicas Las proteínas se estudian en el Departamento de Bioingeniería de la Facultad de Biología de la Universidad Estatal de Moscú. M.V Lomonosov, se forman productos a partir de proteínas de telaraña en el Instituto de Química Bioorgánica de la Academia de Ciencias de Rusia, su aplicaciones medicas Estudio en el Instituto de Trasplantología y Órganos Artificiales.

Las arañas pertenecen a los habitantes más antiguos de la Tierra: se encontraron rastros de los primeros arácnidos en rocas que tienen entre 340 y 450 millones de años. Las arañas son entre 200 y 300 millones de años más antiguas que los dinosaurios y más de 400 millones de años más antiguas que los primeros mamíferos. La naturaleza tuvo tiempo suficiente no solo para aumentar el número de especies de arañas (se conocen alrededor de 60 mil), sino también para equipar a muchos de estos depredadores de ocho patas con un medio asombroso de caza: una red. El patrón de la web puede ser diferente no solo diferentes tipos

, pero también en una araña en presencia de determinadas sustancias químicas, como explosivos o narcóticos. Incluso se iban a lanzar arañas al espacio para estudiar el efecto de la microgravedad en el patrón de la red.

Sin embargo, la sustancia que constituye la red oculta la mayoría de los misterios.

La red, al igual que nuestro pelo, la piel de los animales y los hilos de los gusanos de seda, se compone principalmente de proteínas. Pero las cadenas polipeptídicas de cada hilo de araña están entrelazadas de una manera tan inusual que han adquirido una fuerza casi récord. Un solo hilo producido por una araña es tan fuerte como un alambre de acero del mismo diámetro. Una cuerda tejida con telaraña, del grosor de un lápiz, podría sostener en su lugar una topadora, un tanque e incluso un Airbus tan potente como un Boeing 747. Pero la densidad del acero es seis veces mayor que la de las telas de araña.

Se sabe cuán alta es la resistencia de los hilos de seda. Un ejemplo clásico es una observación hecha por un médico de Arizona en 1881. Frente a este médico tuvo lugar un tiroteo en el que murió uno de los tiradores. Dos balas alcanzaron el pecho y lo atravesaron. Al mismo tiempo, trozos de un pañuelo de seda sobresalían del dorso de cada herida. Las balas atravesaron ropa, músculos y huesos, pero no pudieron rasgar la seda que se interpuso en su camino. ¿Por qué en la tecnología se utilizan estructuras de acero y no otras más ligeras y elásticas, hechas de un material similar a una telaraña? ¿Por qué no se reemplazan los paracaídas de seda por el mismo material? La respuesta es simple: intenta hacer el tipo de material que las arañas producen fácilmente todos los días, ¡no funcionará! El mundo ha estudiado durante mucho tiempo la composición química de la red de tejedores de ocho patas, y hoy la imagen de su estructura se revela más o menos completamente. La cadena tiene un núcleo interno de una proteína llamada fibroína, y alrededor de este núcleo hay capas concéntricas de nanofibras de glicoproteína. La fibroína constituye aproximadamente 2/3 de la masa de la red (así como, por cierto, la fibra de seda natural). Es un líquido viscoso y almibarado que polimeriza y endurece en el aire.

Las fibras de glicoproteína, cuyo diámetro puede ser de sólo unos pocos nanómetros, pueden estar situadas paralelas al eje del hilo de fibroína o formar espirales alrededor del hilo. Las glicoproteínas son proteínas complejas que contienen carbohidratos y tienen peso molecular de 15.000 a 1.000.000 de uma - están presentes no solo en las arañas, sino también en todos los tejidos de animales, plantas y microorganismos (algunas proteínas del plasma sanguíneo, tejido muscular, membranas celulares, etc.).

Durante la formación de una red, las fibras de glicoproteínas se conectan entre sí mediante enlaces de hidrógeno, así como enlaces entre grupos CO y NH, y una proporción significativa de enlaces se forma en las glándulas aracnoideas de los arácnidos. Las moléculas de glicoproteína pueden formar cristales líquidos con fragmentos en forma de varilla que se apilan paralelos entre sí, lo que le da a la estructura la fuerza de un sólido y al mismo tiempo mantiene la capacidad de fluir como un líquido.

Los componentes principales de la red son los aminoácidos más simples: glicina H 2 NCH 2 COOH y alanina CH 3 CHNH 2 COOH. La red también contiene sustancias inorgánicas: hidrogenofosfato de potasio y nitrato de potasio. Sus funciones se reducen a proteger la red de hongos y bacterias y, probablemente, crear las condiciones para la formación del propio hilo en las glándulas.

Una característica distintiva de la web es su respeto al medio ambiente. Se compone de sustancias que son fácilmente absorbidas por el entorno natural y no dañan este entorno. En este sentido, la web no tiene análogos creados por manos humanas.

Una araña puede producir hasta siete hilos de diferente estructura y propiedades: algunos para atrapar “redes”, otros para su propio movimiento, otros para señales, etc. Casi todos estos hilos podrían encontrar una amplia aplicación en la industria y la vida cotidiana, si sería posible establecer su producción generalizada. Sin embargo, es casi imposible "domesticar" arañas, como los gusanos de seda, u organizar granjas de arañas únicas: los hábitos agresivos de las arañas y las características de su carácter de cría individual difícilmente lo permitan. Y para producir sólo 1 m de tela, se requiere el “trabajo” de más de 400 arañas.

¿Es posible reproducir los procesos químicos que tienen lugar en el cuerpo de las arañas y copiar material natural? Los científicos e ingenieros han desarrollado hace mucho tiempo la tecnología de Kevlar - fibra de aramida:

producido a escala industrial y acercándose a las propiedades de las telas de araña. Las fibras de Kevlar son cinco veces más débiles que las telas de araña, pero siguen siendo tan fuertes que se utilizan para fabricar chalecos antibalas ligeros, cascos, guantes, cuerdas, etc. Pero el Kevlar se produce en soluciones calientes de ácido sulfúrico, mientras que las arañas requieren una temperatura regular. Los químicos aún no saben cómo abordar estas condiciones.

Sin embargo, los bioquímicos se han acercado más a la solución del problema de la ciencia de los materiales. En primer lugar, se identificaron y descifraron los genes de las arañas que programan la formación de hilos de una u otra estructura. Hoy en día esto se aplica a 14 especies de arañas. Luego, especialistas estadounidenses de varios centros de investigación (cada grupo de forma independiente) introdujeron estos genes en bacterias, tratando de obtener las proteínas necesarias en solución.

Los científicos de la empresa canadiense de biotecnología Nexia introdujeron estos genes en ratones, luego los cambiaron a cabras, y las cabras comenzaron a producir leche con la misma proteína que forma el hilo de la red. En el verano de 1999, dos machos cabríos africanos, Peter y Webster, fueron programados genéticamente para producir cabras cuya leche contenía esta proteína. Esta raza es buena porque las crías se convierten en adultas a la edad de tres meses. La empresa aún no dice nada sobre cómo hacer hilos con leche, pero ya ha registrado el nombre del nuevo material que creó: "BioSteel". En la revista "Science" ("Science", 2002, vol. 295, p. 427) se publicó un artículo sobre las propiedades del "bioacero".

Los especialistas alemanes de Gatersleben tomaron un camino diferente: introdujeron genes parecidos a arañas en plantas: patatas y tabaco. Consiguieron obtener hasta un 2% de proteínas solubles en tubérculos de patata y hojas de tabaco, compuestas principalmente por espidroína (la principal fibroína de las arañas). Se espera que cuando las cantidades de espidroína producidas sean significativas, se utilizará primero para fabricar vendajes médicos.

La leche obtenida de cabras genéticamente modificadas apenas se distingue por su sabor de la leche natural. Las patatas genéticamente modificadas son similares a las normales: en principio, también se pueden hervir y freír.

Candidato de Ciencias Físicas y Matemáticas E. Lozovskaya

Ciencia y vida // Ilustraciones

La sustancia adhesiva que recubre el hilo de la espiral de captura se distribuye uniformemente por toda la banda en forma de gotas de perlas. La imagen muestra el lugar donde se unen al radio dos fragmentos de la espiral del receptor.

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Etapas iniciales Construcción de una red de captura mediante una araña cruzada.

La espiral logarítmica describe aproximadamente la forma del hilo espiral auxiliar que la araña tiende cuando construye una red de captura en forma de rueda.

La espiral de Arquímedes describe la forma del hilo adhesivo.

Los hilos en zigzag son una de las características de las telas de araña del género Argiope.

Las regiones cristalinas de la fibra de seda tienen una estructura plegada similar a la que se muestra en la figura. Las cadenas individuales están conectadas por enlaces de hidrógeno.

Arañas cruzadas jóvenes que acaban de salir de su capullo de telaraña.

Las arañas de la familia Dinopidae spinosa tejen una red entre sus piernas y luego la arrojan sobre sus presas.

La araña cruzada (Araneus diadematus) es conocida por su capacidad para tejer grandes redes de captura en forma de rueda.

Algunos tipos de arañas también colocan una larga "escalera" en la trampa redonda, lo que aumenta significativamente la eficiencia de la caza.

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Así se ven al microscopio los tubos de araña de los que emergen los hilos de seda de araña.

Puede que las arañas no sean las criaturas más atractivas, pero su creación, la red, es nada menos que impresionante. Recuerde cómo cautiva la vista la regularidad geométrica de los hilos más finos que brillan al sol, estirados entre las ramas de un arbusto o entre la hierba alta.

Las arañas son uno de los habitantes más antiguos de nuestro planeta y habitaron la tierra hace más de 200 millones de años. En la naturaleza existen alrededor de 35 mil especies de arañas. Estas criaturas de ocho patas, que viven en todas partes, son reconocibles siempre y en todas partes, a pesar de las diferencias de color y tamaño. Pero lo más importante es característica distintiva- es la capacidad de producir seda de araña, una fibra natural con una resistencia insuperable.

Las arañas usan telas para una variedad de propósitos. Con él hacen capullos para los huevos, construyen refugios para pasar el invierno, lo utilizan como "cuerda de seguridad" al saltar, tejen intrincadas redes de captura y envuelven a las presas capturadas. Una hembra lista para aparearse produce un hilo de red marcado con feromonas, gracias al cual el macho, moviéndose a lo largo del hilo, encuentra fácilmente pareja. Las arañas jóvenes de algunas especies se alejan del nido de sus padres en largos hilos transportados por el viento.

Las arañas se alimentan principalmente de insectos. Los dispositivos de caza que utilizan para conseguir comida son de los más diferentes formas y tipos. Algunas arañas simplemente extienden varios hilos de señales cerca de su refugio y, tan pronto como un insecto toca el hilo, se lanzan hacia él desde una emboscada. Otros lanzan hacia adelante un hilo con una gota pegajosa en el extremo, como una especie de lazo. Pero el pináculo de la actividad de diseño de las arañas siguen siendo las redes redondas en forma de rueda, ubicadas horizontal o verticalmente.

Para construir una red de captura en forma de rueda, la araña cruzada, habitante común de nuestros bosques y jardines, produce un hilo bastante largo y fuerte. Una brisa o una corriente de aire ascendente levanta el hilo hacia arriba y, si se elige bien el lugar para construir la red, se adhiere a la rama más cercana u otro soporte. La araña se arrastra a lo largo de él para asegurar el extremo, a veces colocando otro hilo para fortalecerlo. Luego suelta un hilo que cuelga libremente y une un tercio en su centro, de modo que se obtiene una estructura en forma de Y: los primeros tres radios de más de cincuenta. Cuando los hilos radiales y el marco están listos, la araña regresa al centro y comienza a colocar una espiral auxiliar temporal, algo así como un "andamio". La espiral auxiliar mantiene unida la estructura y sirve como camino para la araña cuando construye una espiral de captura. Todo el marco principal de la red, incluidos los radios, está hecho de hilo no adhesivo, pero para la espiral del receptor se utiliza un hilo doble recubierto con una sustancia adhesiva.

Lo sorprendente es que estas dos espirales tienen formas geométricas diferentes. La espiral temporal tiene relativamente pocas vueltas y la distancia entre ellas aumenta con cada vuelta. Esto sucede porque, al colocarla, la araña se mueve en el mismo ángulo con respecto a los radios. La forma de la línea discontinua resultante se acerca a la llamada espiral logarítmica.

La espiral de captura adhesiva se construye según un principio diferente. La araña comienza en el borde y avanza hacia el centro, manteniendo la misma distancia entre las vueltas, creando una espiral de Arquímedes. Al mismo tiempo, muerde los hilos de la espiral auxiliar.

La seda de araña es producida por glándulas especiales ubicadas en la parte posterior del abdomen de la araña. Hay al menos siete tipos de glándulas aracnoideas que se sabe que producen diferentes hilos, pero ninguna especie de araña conocida tiene los siete tipos a la vez. Por lo general, una araña tiene de uno a cuatro pares de estas glándulas. Tejer una red no es una tarea rápida y se necesita aproximadamente media hora para construir una red de captura de tamaño mediano. Para pasar a producir otro tipo de telaraña (para la espiral de captura), la araña necesita un minuto de respiro. Las arañas a menudo reutilizan las telarañas comiendo las sobras que han sido dañadas por la lluvia, el viento o los insectos. La telaraña se digiere en su cuerpo con la ayuda de enzimas especiales.

La estructura de la seda de araña se ha desarrollado perfectamente a lo largo de cientos de millones de años de evolución. Este material natural combina dos propiedades maravillosas: resistencia y elasticidad. Una red hecha de telarañas puede detener a un insecto que vuela a toda velocidad. El hilo con el que las arañas tejen la base de su red de caza es más delgado que un cabello humano y su resistencia a la tracción específica (es decir, calculada por unidad de masa) es mayor que la del acero. Si comparas hilo de araña con alambre de acero del mismo diámetro, soportarán aproximadamente el mismo peso. Pero la seda de araña es seis veces más ligera, lo que significa seis veces más fuerte.

Al igual que el cabello humano, la lana de oveja y la seda de los capullos de gusanos de seda, las telas de araña están compuestas principalmente de proteínas. En términos de composición de aminoácidos, las proteínas de la telaraña, las espidroínas, están relativamente cerca de las fibroínas, las proteínas que componen la seda producida por las orugas del gusano de seda. Ambos contienen cantidades inusualmente altas de los aminoácidos alanina (25%) y glicina (alrededor del 40%). Las áreas de moléculas de proteínas ricas en alanina forman regiones cristalinas densamente empaquetadas en pliegues, lo que proporciona una alta resistencia, y aquellas áreas donde hay más glicina representan un material más amorfo que puede estirarse bien y, por lo tanto, impartir elasticidad al hilo.

¿Cómo se forma ese hilo? Aún no existe una respuesta completa y clara a esta pregunta. El proceso de tejido de telarañas se ha estudiado con mayor detalle utilizando el ejemplo de la glándula ampullaida de la araña tejedora de orbes y Nephila clavipes. La glándula ampollaide, que produce la seda más fuerte, consta de tres secciones principales: un saco central, un canal curvo muy largo y un tubo con salida. De las células a superficie interior Del saco emergen pequeñas gotas esféricas que contienen dos tipos de moléculas de proteína espidroína. Esta solución viscosa fluye hacia la cola del saco, donde otras células secretan un tipo diferente de proteína: las glicoproteínas. Gracias a las glicoproteínas, la fibra resultante adquiere una estructura cristalina líquida. Los cristales líquidos destacan porque, por un lado, tienen un alto grado de orden y, por otro, conservan la fluidez. A medida que la masa espesa se mueve hacia la salida, las largas moléculas de proteína se orientan y alinean paralelas entre sí en la dirección del eje de la fibra en formación. En este caso, se forman enlaces de hidrógeno intermoleculares entre ellos.

La humanidad ha copiado muchos de los descubrimientos de diseño de la naturaleza, pero un proceso tan complejo como tejer una red aún no se ha reproducido. Los científicos ahora están tratando de resolver este difícil problema utilizando técnicas biotecnológicas. El primer paso fue aislar los genes responsables de la producción de las proteínas que componen la red. Estos genes se introdujeron en células de bacterias y levaduras (ver "Ciencia y vida" No. 2, 2001). Los genetistas canadienses han ido aún más lejos: han criado cabras genéticamente modificadas cuya leche contiene proteínas de telaraña disueltas. Pero el problema no está sólo en la obtención de proteína de seda de araña, es necesario simular el proceso natural de hilado. Pero los científicos aún tienen que aprender esta lección de la naturaleza.