Zašto je web tako jak? Uže za paukovu mrežu

U 18. stoljeću izvjesni Bon iz Montpelliera ispleo je sebi par čarapa i rukavica od paučine. Ovo iskustvo korištenja paukove mreže u tekstilne svrhe pokazalo se jedinim. Trenutno se web koristi samo kao nišan za precizne optičke instrumente.

Mreža se sintetizira iz aminokiselina u krvi pauka. To se događa u stanicama koje se nalaze u stijenkama paukovih žlijezda. Mreža se proizvodi u kapljicama; spajaju se u šupljem središnjem dijelu žlijezde. Ova viskozna tekućina zapravo je koncentrirana otopina paučine. Otopina se nakuplja u žlijezdama sve dok pauku ne zatreba mreža i ona se izvuče iz kanala paukovih bradavica. Mreža se brzo rasteže u tanku nit i odmah prelazi iz viskoznog stanja u čvrsto.

Tvari koje se mogu uvući u filamente obično su polimeri visoke molekularne težine. Sastoje se od dugih, tankih molekula. Molekule su uvijene kada su u otopini. Međutim, ako se izvuku iz tanke rupice, razmotaju se i nalaze se duž cijele duljine vlakna. Molekule se u tom položaju drže poprečnim vezama koje se stvaraju između susjednih lanaca.

Krećući se, pauk obično plete dvostruku nit - takozvanu viseću nit. Čuva ga od pada i pričvršćen je diskovima za pričvršćivanje kad god pauk treba pasti.

Konac za vješanje ponekad je ojačan s dvije tanje niti. Također se koriste za izradu vanjskog okvira i radijalnih niti mreže za hvatanje. Drugi glavni dio mreže za hvatanje je spiralna nit; zapravo snima muhe koje padaju na njega.

Cijela mreža je vrlo ljepljiva i izuzetno elastična. Ljepljiva je zbog mnoštva kapljica vrlo viskozne tvari koja oblaže obje paučine i drži ih zajedno. Pri najmanjem kontaktu s viskoznom niti, muha se zalijepi. Konac se može istegnuti bez pucanja, bez obzira koliko jaka bila žrtva. To obično dovodi do toga da se muha također zaplete u susjedne ljepljive niti. Držeći muhu, pauk je okreće čeljustima, noktima na nogama i prednjim nogama, dok stražnje noge izvlače mrežu iz paukovih bradavica. Muha se tako nađe u paučinastom "zavoju", a pauk žrtvu često odnese u svoje sklonište, gdje će je ili odmah pojesti ili objesiti "na rezervu".

Postoji još jedna mreža; koristi se za izradu čahure. Ova nit omotava pauka oko jaja položenih u jesen. Čahura štiti jaja od lošeg vremena i napada raznih grabežljivaca.

Mreža se sastoji od proteina. Poznato je da proteini igraju ključnu ulogu u strukturi i funkciji svih živih organizama. Oni čine miozin u mišićima, kolagen u vezivna tkiva, hemoglobina u krvi, kao i enzima koji kontroliraju sve kemijske reakcije u živom organizmu.

Proteini su velike molekule izgrađene od dvadeset različitih aminokiselina. Molekula mrežnog proteina može se sastojati od jednog ili više lanaca povezanih na jednom ili više mjesta. Snažne poprečne veze stvara aminokiselina cistin, koja se može "prilijepiti" za dva različita lanca. Cistin također može stvoriti vezu između razne dijelove isti lanac, tvoreći petlje.

Dvadeset aminokiselina može formirati ogroman broj različitih proteina. Jedan od glavnih ciljeva kemičara za proteine ​​je odrediti broj aminokiselina u proteinu i njihov relativni položaj.

Da bi se odredio sastav aminokiselina, razlaže se na sastavne aminokiseline kuhanjem u klorovodičnoj kiselini. Zatim se sve komponente izoliraju iz smjese aminokiselina. Prije 25 godina to je bio prilično kompliciran zahvat, zahtijevao je mnogo materijala i vremena, a osim toga nije uvijek davao točne rezultate. Trenutno se kompletna analiza aminokiselina može izvesti na nekoliko miligrama materijala u jednom danu. Znanstvenici su napravili aparat u kojem se smjesa aminokiselina najprije razgrađuje na komponente, a zatim se njihov broj automatski bilježi i bilježi u obliku grafikona.

Ove analitičke metode primijenjene su u analizi niza paučine. Velika je razlika u sastavu čahura i konca za vješanje. Glavne aminokiseline prve su alanin i serin, druge su glicin i alanin. Više od polovice proteina u svakom slučaju čine samo dvije aminokiseline, iako su u njima prisutne mnoge druge aminokiseline. Najviše u mreži aminokiselina s vrlo kratkim bočnim lancima.

Vrlo je važno znati kako su aminokiseline raspoređene u proteinu. Ali to još uvijek ne omogućuje objašnjenje svih svojstava vlakana. Ova svojstva u velikoj mjeri ovise o tome kako su lanci međusobno raspoređeni.

Godine 1913. Otac i Sin Braggy pokazali su da kristal bilo koje tvari koja se okreće u X-zrakama odbija iste pod određenim specifičnim kutovima, budući da se sastoji od uređenih atoma koji tvore refleksijske ravnine. Iste godine, dva Japanca - Nikishawa i Ono - otkrili su da mnoga vlakna za koja se pretpostavlja da nemaju kristalnu strukturu također daju određene refleksije.

Postojeće rendgenske snimke arahnoidnih filamenata izgledaju neupadljivo u usporedbi s rendgenskim slikama pravih kristala, ali mogu pružiti značajne informacije o strukturi mreže. Činjenica da takav rendgenski uzorak sadrži mrlje ukazuje na prisutnost kristalnih područja u vlaknima mreže, koja imaju uređen raspored atoma. Zasluge za određivanje strukture ovih kristalnih područja pripadaju prije svega profesoru Linusu Paulingu s Kalifornijskog instituta za tehnologiju i profesoru Warwickeru.

Zahvaljujući ovim studijama, znamo da gotovo sve vrste mreža imaju sličnu strukturu. Grubu predodžbu o tome možete dobiti crtanjem nekoliko ekvidistantnih paralelnih linija na komadu papira, a zatim skupljanjem ovog lista u nabore pod pravim kutom u odnosu na linije. Linije predstavljaju dugačke peptidne lance, a mjesta na kojima se sijeku s naborima označavaju položaje ugljikovih atoma iz kojih se pružaju bočni lanci. Idu pod pravim kutom u odnosu na ravninu lista.

Sada razmotrite više sličnih listova zajedno; gustoća njihovog "pakiranja" ovisit će o veličini I-skupina. Gotovo sve mreže imaju lance raspoređene na sličan način unutar ploča, a razlikuju se samo po udaljenosti između ploča: ona se kreće od 3,3 do 15,6 angstrema.

Donja nit mreže dugi su pravilni cilindri gotovo pravilnog kružnog presjeka. Jedan od načina usporedbe finoće vlakana je označavanje težine određene duljine vlakna. Za mrežu se obično izražava u denijema - težina u gramima niti od 9 kilometara. U ovom sustavu mjerenja, nit svilene bube teži 1 denier, dok ljudska kosa teži 40-50 denier. Težina niti čahure pauka je 0,7 denija, a viseće niti još manje, 0,07 denija. Viseća nit isprepletena oko globusa na ekvatoru težila bi samo oko 340 grama.

Čvrstoća i vlačna svojstva niti važni su za tekstilnu industriju. Za usporedbu niti različitih debljina, njihova se čvrstoća obično izražava vlačnom čvrstoćom, odnosno prekidnom silom podijeljenom s denijerima. Vlačna čvrstoća se stoga izražava u gramima po denieru. Prosječna lomna čvrstoća niti čahure je 2,2 g/den, a viseće niti 7,8 g/den. Istezanje do trenutka puknuća doseže 46%, odnosno 31%.

Za razliku od viseće niti, čahura je relativno krhka, a to je zbog svoje namjene. Ne mora izdržati veliki stres, njezin zadatak je stvoriti zaštitnu ljusku za jaja čahure. Da bi to učinio, pauk plete šestoslojnu pređu od kovrčave niti. Svaka nit čahure sastoji se od šest paučina. Ova paučina podsjeća na glomaznu pređu koja je posljednjih godina razvijena za izradu rastezljivog pletiva od umjetnih vlakana.

Spiralna nit mreže za hvatanje, koja tvori ljepljivu mrežnu zamku, vrlo je elastična. Njegovo širenje i skupljanje potpuno je reverzibilno i u tom pogledu podsjeća na gumu.

Jedan od zadataka industrije umjetnih materijala je opskrba kupaca materijalima s određenim svojstvima. Tkanina za donje rublje, na primjer, treba zadržati toplinu i upijati vlagu, dok vezica za gume treba vrlo čvrstu tkaninu.

Razvoj umjetnih proteinskih vlakana još je u povojima, jer još nismo u mogućnosti stvoriti dugačke lance sa složenom strukturom aminokiselina. Međutim, možete uzeti jednu aminokiselinu i polimerizirati je u duge lance, kao što je polialanin ili polialanin i metil glutamag, kako biste iz njih dobili dobra tkiva. Također je moguće dobiti polimere visoke molekularne težine s ponavljajućim dipeptidnim nizom, na primjer, ... glicin - alanin - glicin - alanin - glicin-alanin ...

Daljni studiji razne vrste paučina - to je način koji će nam sigurno pomoći u stvaranju umjetnih proteinskih vlakana.

P.S. O čemu još govore britanski znanstvenici: da će u budućnosti, temeljem detaljnijeg, molekularnog proučavanja kako paukove niti tako i drugih prirodnih materijala, znanstvenici moći dobiti razne ultrakorisne stvari za naš svakodnevni život, npr. , teška dužnost
armiranobetonski proizvodi od posebnih polimera ili nešto slično.

Smatraju se najčvršći materijali na svijetu mreža. Njegova elastičnost i čvrstoća su takve da kada bi bilo moguće napraviti mrežu (a da zadrži sva svojstva) debljine barem olovke, onda bi se na nju mogao lako objesiti moderni tenk.

Štoviše, proces pauka je otklonjen prema najvišoj kategoriji - moderne industrijske tvrtke daleko su od toga.

Štoviše, pauk ne pravi "samo" mrežu, već upravo onu koja mu u ovom trenutku treba. Promijeniti mjesto raspoređivanja je jedno, uhvatiti hranu je drugo, "izgraditi" kućište za sebe je treće. Mreža za hvatanje se općenito izrađuje od nekoliko vrsta mreža koje se međusobno razlikuju po svojim karakteristikama. Međutim, da bi promijenio "model", pauk se ne obnavlja i ne zaustavlja svoj cjevovod - on uvijek "zna" koja mu nit treba.

Da bi napravio dobro poznatu klasičnu mrežu u obliku kotača, pauk prvo povuče nešto poput “temelja” - ne baš ljepljive i teške niti velikog promjera, zatim na njih stavi tanje “igle za pletenje” i tek onda zapliće preostali prostor. u sredini s gotovo nevidljivim, najopasnijim i ljepljivim spiralama, koje su zamka za razne kukce.

Pauk ribič uopće ne plete mreže. Napravi jednu tanku nit, koja na kraju ima ljepljivu kuglicu, nakon čega ratoborno zamahuje tim oružjem na različite strane. Istodobno odiše aromom sličnom onoj koju ispuštaju ženke noćnih leptira u potrazi za partnerima. Povjerljivi moljci hrle na miris, ali kao rezultat dobivaju ljepljivu kuglicu na čelu i postaju večera za pauka.

Za svoje šetnje, pauk pravi meku, gustu i pahuljastu mrežu - tko želi upasti u vlastitu zamku? A ako obrtnik odluči promijeniti mjesto stanovanja, tada oslobađa poseban web-padobran - pokupljen vjetrom, može premjestiti svog vlasnika na veliku udaljenost.

I još nekoliko zanimljivih informacija o paucima. Znanstvenici su prije nekoliko godina na Madagaskaru otkrili novu vrstu pauka koji je sposoban isplesti mrežu dugu i do 25 metara i odgovarajuće čvrstoće i debljine (zasad je to svjetski rekord). Pauk ne povlači svoje goleme mreže između običnog grmlja, već preko jezera i rijeka - kako bi uhvatio insekte koji kruže iznad vode.

A prošle godine znanstvenici su uspjeli odrediti kako web izgleda u dijelu. Ispostavilo se da je mreža proteinska nit koja izgleda kao hrpa palačinki. Promjer svake "palačinke" je 3 nanometra, a sa susjednom je spojena vodikovim vezama.

Svatko može lako obrisati paučinu koja visi između grana drveta ili ispod stropa u udaljenom kutu sobe. Ali malo ljudi zna da kada bi mreža imala promjer od 1 mm, tada bi mogla izdržati opterećenje od približno 200 kg. Čelična žica istog promjera može izdržati znatno manje: 30–100 kg, ovisno o vrsti čelika. Zašto web ima tako iznimna svojstva?

Neki pauci predu do sedam vrsta niti, od kojih svaka ima svoju svrhu. Niti se mogu koristiti ne samo za hvatanje plijena, već i za izgradnju čahura i skakanje padobranom (leteći na vjetru, pauci mogu pobjeći od iznenadne prijetnje, a mladi pauci se na taj način naseljavaju na novim teritorijima). Svaku vrstu mreže proizvode posebne žlijezde.

Mreža koja se koristi za hvatanje plijena sastoji se od nekoliko vrsta niti (slika 1): okvirne, radijalne, zamke i pomoćne. Najveći interes znanstvenika je nit trupa: ima i visoku čvrstoću i visoku elastičnost - to je kombinacija svojstava koja je jedinstvena. Krajnje naprezanje pri lomu kosturne niti pauka Araneus diadematus iznosi 1,1–2,7. Za usporedbu: vlačna čvrstoća čelika je 0,4–1,5 GPa, a ljudske kose 0,25 GPa. U isto vrijeme, nit trupa može se rastegnuti za 30-35%, a većina metala može izdržati deformaciju ne više od 10-20%.

Zamislite letećeg kukca koji udari u razapetu mrežu. U tom se slučaju mrežna nit mora rastegnuti tako da se kinetička energija letećeg kukca pretvori u toplinu. Kada bi mreža pohranila primljenu energiju u obliku energije elastične deformacije, tada bi se kukac odbio od mreže kao od trampolina. Važno svojstvo weba je da ističe vrlo veliki broj toplina tijekom brzog rastezanja i naknadne kontrakcije: oslobođena energija po jedinici volumena je veća od 150 MJ / m 3 (čelik oslobađa - 6 MJ / m 3). To omogućuje mreži da učinkovito rasprši energiju udarca i da se ne rasteže previše kada je žrtva udarena. Paukova mreža ili polimeri sličnih svojstava mogli bi biti idealni materijali za lagane prsluke.

NA tradicionalna medicina postoji takav recept: na ranu ili ogrebotinu, kako biste zaustavili krv, možete pričvrstiti mrežu, pažljivo je očistiti od insekata i malih grančica zaglavljenih u njoj. Ispada da mreža ima hemostatski učinak i ubrzava zacjeljivanje oštećene kože. Kirurzi i transplantolozi mogli bi ga koristiti kao materijal za šivanje, ojačanje implantata, pa čak i kao uložak za umjetni organi. Uz pomoć mreže moguće je značajno poboljšati mehanička svojstva mnogih materijala koji se danas koriste u medicini.

Dakle, web je neobičan i vrlo obećavajući materijal. Koji su molekularni mehanizmi odgovorni za njegova iznimna svojstva?

Navikli smo na činjenicu da su molekule izuzetno mali objekti. No, to nije uvijek slučaj: oko nas su rašireni polimeri koji imaju dugačke molekule koje se sastoje od identičnih ili sličnih jedinica. Svi znaju da su genetske informacije živog organizma zabilježene u dugim molekulama DNK. Svi su u rukama držali plastične vrećice od dugih isprepletenih polietilenskih molekula. Molekule polimera mogu doseći ogromne veličine.

Na primjer, masa jedne molekule ljudske DNA je oko 1,9·10 12 a.m.u. (međutim, to je oko sto milijardi puta više od mase molekule vode), svaka je molekula duga nekoliko centimetara, a ukupna duljina svih molekula ljudske DNK doseže 10 11 km.

Najvažnija klasa prirodnih polimera su proteini, oni se sastoje od jedinica koje se nazivaju aminokiseline. Različiti proteini obavljaju vrlo različite funkcije u živim organizmima: kontroliraju kemijske reakcije, koriste se kao građevni materijal, za zaštitu itd.

Kosturna nit mreže sastoji se od dva proteina, koji se nazivaju spidroini 1 i 2 (od engl. pauk- pauk). Spidroini su dugačke molekule s masama u rasponu od 120 000 do 720 000 amu. Kod različitih pauka, aminokiselinske sekvence spidroina mogu se međusobno razlikovati, ali svi spidroini imaju zajedničke značajke. Ako mentalno rastegnete dugačku molekulu spidroina u ravnu liniju i pogledate slijed aminokiselina, ispada da se sastoji od ponavljajućih dijelova sličnih jedan drugome (Slika 2). U molekuli se izmjenjuju dvije vrste mjesta: relativno hidrofilna (ona koja su energetski korisna u kontaktu s molekulama vode) i relativno hidrofobna (ona koja izbjegavaju kontakt s vodom). Na krajevima svake molekule nalaze se dvije hidrofilne regije koje se ne ponavljaju, dok se hidrofobne regije sastoje od mnogih ponavljanja aminokiseline koja se zove alanin.

Dugačka molekula (npr. protein, DNA, sintetski polimer) može se prikazati kao zgužvano zapetljano uže. Nije ga teško rastegnuti, jer se petlje unutar molekule mogu ispraviti uz relativno malo truda. Neki polimeri (kao što je guma) mogu se rastegnuti do 500% svoje početne duljine. Stoga sposobnost mreže (materijala koji se sastoji od dugih molekula) da se deformira više od metala nije iznenađujuća.

Odakle dolazi snaga weba?

Da bismo to razumjeli, važno je pratiti proces formiranja niti. Unutar paukove žlijezde spidroini se nakupljaju kao koncentrirana otopina. Kada se filament formira, ova otopina napušta žlijezdu kroz uski kanal, to pomaže molekulama da se rastegnu i usmjere ih duž smjera rastezanja, a odgovarajuće kemijske promjene uzrokuju da se molekule slijepe. Fragmenti molekula, koji se sastoje od alanina, spajaju se i tvore uređenu strukturu sličnu kristalu (slika 3). Unutar takve strukture, fragmenti su naslagani paralelno jedan s drugim i međusobno povezani vodikovim vezama. Upravo ti dijelovi, međusobno povezani, osiguravaju snagu vlakna. Tipična veličina takvih gusto zbijenih područja molekula je nekoliko nanometara. Hidrofilna područja koja se nalaze oko njih ispadaju nasumično presavijena, poput zgužvanih užadi, mogu se ispraviti i na taj način osigurati istezanje mreže.

Mnogi kompozitni materijali, poput ojačane plastike, izgrađeni su na istom principu kao i nit karkase: u relativno mekoj i pokretljivoj matrici, koja dopušta deformaciju, postoje mala tvrda područja koja čine materijal čvrstim. Iako znanstvenici za materijale već dugo rade s takvim sustavima, kompoziti koje je napravio čovjek tek se počinju približavati mreži u svojim svojstvima.

Zanimljivo, kada se mreža smoči, jako se skuplja (taj se fenomen naziva superkontrakcija). To je zato što molekule vode prodiru u vlakno i čine poremećena hidrofilna područja pokretljivijima. Ako je mreža rastegnuta i obješena od insekata, tada se na vlažnom ili kišnom danu skuplja i istodobno vraća svoj oblik.

Također napominjemo zanimljiva značajka formiranje niti. Pauk vuče mrežu pod vlastitom težinom, ali nastala mreža (promjer niti približno 1-10 mikrona) obično može podnijeti masu šest puta veću od mase samog pauka. Ako se, pak, pauku poveća težina centrifugom, on počinje lučiti deblju i izdržljiviju, ali manje krutu mrežu.

Kad je riječ o korištenju weba, postavlja se pitanje kako ga nabaviti u industrijskim količinama. U svijetu postoje instalacije za "muženje" paukova, koji izvlače niti i namataju ih na posebne kolute. Međutim, ova metoda je neučinkovita: da bi se nakupilo 500 g mreže, potrebno je 27 tisuća srednjih pauka. Tu u pomoć dolazi bioinženjering. Moderne tehnologije omogućuju uvođenje gena koji kodiraju mrežne proteine ​​u razne žive organizme, kao što su bakterije ili kvasci. Ovi genetski modificirani organizmi postaju izvori umjetnih mreža. Proteini dobiveni metodama genetski inženjering nazivaju se rekombinantne. Imajte na umu da su obično rekombinantni spidroini puno manji od prirodnih, ali struktura molekule (izmjena hidrofilnih i hidrofobnih regija) ostaje nepromijenjena.

Postoji povjerenje da umjetna mreža u svojim svojstvima neće biti inferiorna od prirodne i da će pronaći svoje praktičnu upotrebu kao izdržljiv i ekološki prihvatljiv materijal. U Rusiji nekoliko znanstvenih grupa iz različitih instituta zajednički se bave istraživanjem svojstava weba. Dobivanje rekombinantne mreže provodi se u Državnom istraživačkom institutu za genetiku i selekciju industrijskih mikroorganizama, fizičkih i Kemijska svojstva proteini se proučavaju na Odsjeku za bioinženjering Biološkog fakulteta Moskovskog državnog sveučilišta Lomonosov. M. V. Lomonosov, proizvodi iz mrežnih proteina nastaju na Institutu za bioorgansku kemiju Ruske akademije znanosti, njihov medicinske primjene studij na Zavodu za transplantaciju i umjetne organe.

Pauci pripadaju najstarijim stanovnicima Zemlje: tragovi prvih paučnjaka pronađeni su u stijenama starim 340-450 milijuna godina. Pauci su oko 200-300 milijuna godina stariji od dinosaura i više od 400 milijuna godina stariji od prvih sisavaca. Priroda je imala dovoljno vremena ne samo da umnoži broj vrsta pauka (poznato ih je oko 60 tisuća), već i da mnoge od ovih osmonožnih grabežljivaca opremi nevjerojatnim sredstvom za lov - paučinom. Uzorak weba može biti drugačiji ne samo za različiti tipovi, ali i kod jednog pauka u prisutnosti određenih kemikalija, poput eksploziva ili narkotika. Paukove su čak planirali lansirati u svemir kako bi proučavali učinak mikrogravitacije na uzorak mreže. Ipak, najviše misterija skrivala je tvar od koje se mreža sastoji.

Mreža se, poput naše kose, životinjske dlake, niti svilene bube, sastoji uglavnom od proteina. Ali polipeptidni lanci u svakoj paučini isprepleteni su na tako neobičan način da su dobili gotovo rekordnu snagu. Pojedinačna nit koju proizvodi pauk jaka je poput čelične žice jednakog promjera. Uže ispleteno od paučine, debljine samo olovke, moglo je držati na mjestu buldožer, tenk, pa čak i tako moćan airbus kao što je Boeing 747. Ali gustoća čelika je šest puta veća od gustoće paučine.

Poznato je kolika je čvrstoća svilenih niti. Klasičan primjer je zapažanje liječnika iz Arizone još 1881. Pred očima tog liječnika došlo je do pucnjave u kojoj je jedan od strijelaca ubijen. Dva su metka pogodila prsa i prošla kroz njih. Istovremeno su sa stražnje strane svake rane stršali komadići svilenog rupčića. Meci su prošli kroz odjeću, mišiće i kosti, ali nisu uspjeli probiti svilu na koju su naišli.

Zašto se onda u inženjerstvu koriste čelične konstrukcije, a ne lakše i elastičnije od materijala sličnog paučini? Zašto svileni padobrani nisu zamijenjeni istim materijalom? Odgovor je jednostavan: pokušajte napraviti takav materijal koji pauci lako proizvode svakodnevno - neće uspjeti!

Znanstvenici različite zemlje Svijet je dugo proučavao kemijski sastav mreže osmonožnih tkalaca, a danas je slika njegove strukture više-manje potpuno razotkrivena. Mrežna nit ima unutarnju jezgru od proteina koji se zove fibroin, a ovu jezgru okružuju koncentrični slojevi glikoproteinskih nanovlakana. Fibroin čini otprilike 2/3 mase mreže (i također, usput, prirodnog svilenog vlakna). To je viskozna, sirupasta tekućina koja se polimerizira i skrućuje na zraku.

Glikoproteinska vlakna, koja mogu imati samo nekoliko nanometara u promjeru, mogu biti paralelna s osi fibroinskog filamenta ili formirati spirale oko filamenta. Glikoproteini su složeni proteini koji sadrže ugljikohidrate i imaju Molekularna težina od 15 000 do 1 000 000 amu - prisutni su ne samo u paucima, već iu svim tkivima životinja, biljaka i mikroorganizama (neki proteini u krvnoj plazmi, mišićno tkivo, stanične membrane itd.).

Tijekom formiranja mreže glikoproteinska vlakna su međusobno povezana vodikovim vezama, kao i vezama između CO i NH skupina, a značajan udio veza nastaje u arahnoidnim žlijezdama arahnida. Molekule glikoproteina mogu formirati tekuće kristale sa štapićastim fragmentima koji su naslagani paralelno jedni s drugima, što strukturi daje snagu krutine dok zadržava sposobnost tečenja poput tekućine.

Glavne komponente mreže su najjednostavnije aminokiseline: glicin H 2 NCH 2 COOH i alanin CH 3 CHNH 2 COOH. Mreža također sadrži anorganske tvari - kalijev hidrogenfosfat i kalijev nitrat. Njihove su funkcije svedene na zaštitu mreže od gljivica i bakterija i, vjerojatno, stvaranje uvjeta za stvaranje same niti u žlijezdama.

Posebnost weba je ekološka prihvatljivost. Sastoji se od tvari koje prirodni okoliš lako apsorbira i ne šteti tom okolišu. U tom smislu, web još nema analogije stvorene ljudskim rukama.

Pauk može razlikovati do sedam niti različite strukture i svojstava: neke za hvatanje "mreža", druge za vlastito kretanje, treće za signaliziranje itd. Gotovo sve ove niti mogle bi se široko koristiti u industriji i svakodnevnom životu kad bi bile mogli uspostaviti svoju široku proizvodnju. Međutim, teško je moguće "ukrotiti" pauke, poput svilenih buba, organizirati osebujne farme pauka: malo je vjerojatno da će to dopustiti agresivne navike pauka i osobine pojedinog farmera u njihovom karakteru. A za proizvodnju samo 1 m tkanine iz mreže potrebno je više od 400 pauka za "rad".

Je li moguće reproducirati kemijske procese koji se odvijaju u tijelu pauka i kopirati prirodni materijal? Znanstvenici i inženjeri dugo su razvijali tehnologiju kevlara - aramidnih vlakana:

dobivenih u industrijskim razmjerima i približavajući se svojstvima mreže. Vlakna kevlara pet su puta slabija od paučine, ali ipak toliko čvrsta da se od njih izrađuju laki pancirni prsluci, zaštitne kacige, rukavice, užad itd. Ali kevlar se dobiva u vrućim otopinama sumporne kiseline, dok je pauku potrebna obična temperatura. Kemičari još ne znaju kako pristupiti takvim uvjetima.

Međutim, biokemičari su pristupili rješenju problema znanosti o materijalima. Prvo su identificirani i dešifrirani geni pauka, programirajući formiranje niti jedne ili druge strukture. Danas se radi o 14 vrsta pauka. Zatim su američki stručnjaci iz nekoliko istraživačkih centara (svaka skupina neovisno) unijeli te gene u bakterije, pokušavajući dobiti željene proteine ​​u otopini.

Znanstvenici iz kanadske biotehnološke tvrtke Nexia uveli su takve gene u miševe, zatim su prešli na koze, a koze su počele davati mlijeko s istim proteinom koji tvori nit mreže. U ljeto 1999. godine, dva afrička pigmejska koza, Peter i Webster, genetski su programirana da daju potomke koza čije je mlijeko sadržavalo ovaj protein. Ova pasmina je dobra jer potomci postaju odrasli već u dobi od tri mjeseca. Tvrtka još uvijek šuti o tome kako napraviti niti od mlijeka, ali već je registrirala naziv novog materijala koji je stvorila - "BioSteel" ("biočelik"). Članak o svojstvima "biočelika" objavljen je u časopisu "Science" ("Nauka", 2002., vol. 295, str. 427).

Njemački stručnjaci iz Gaterslebena otišli su drugim putem: uveli su paukolike gene u biljke - krumpir i duhan. Uspjeli su dobiti do 2% topivih proteina u gomoljima krumpira i listovima duhana, koji se uglavnom sastoje od spidroina (glavni fibroin pauka). Pretpostavlja se da će se, kada količine proizvedenog spidroina postanu znatne, od njega u prvom redu praviti medicinski zavoji.

Mlijeko dobiveno od genetski modificiranih koza po okusu se teško može razlikovati od prirodnog. Genetski modificirani krumpir sličan je običnom: u principu se može i kuhati i pržiti.

Kandidat fizičkih i matematičkih znanosti E. Lozovskaya

Znanost i život // Ilustracije

Ljepljiva tvar koja prekriva nit spirale za hvatanje ravnomjerno je raspoređena po mreži u obliku kapljica-kuglica. Na slici je prikazano mjesto pričvršćenja dvaju fragmenata zahvatne spirale na radijus.

Znanost i život // Ilustracije

Znanost i život // Ilustracije

Znanost i život // Ilustracije

Znanost i život // Ilustracije

Početne faze izgradnja mreže zamke s paukom-križom.

Logaritamska spirala približno opisuje oblik pomoćne spiralne niti koju pauk polaže tijekom izrade mreže za hvatanje u obliku kotača.

Arhimedova spirala opisuje oblik ljepljive niti za hvatanje.

Cik-cak niti jedno su od obilježja paukove mreže roda Argiope.

Kristalna područja svilenog vlakna imaju presavijenu strukturu, sličnu onoj prikazanoj na slici. Pojedini lanci povezani su vodikovim vezama.

Mladi pauci križanci, tek izašli iz čahure paučine.

Pauci iz obitelji Dinopidae spinosa pletu mrežu paučine između nogu i zatim je bacaju preko svog plijena.

Pauk križanac (Araneus diadematus) poznat je po svojoj sposobnosti da plete velike mreže za hvatanje u obliku kotača.

Neke vrste pauka na okruglu zamku pričvršćuju i duge "ljestve", što značajno povećava učinkovitost lova.

Znanost i život // Ilustracije

Ovako pod mikroskopom izgledaju cjevčice paukove mreže iz kojih izlaze niti paukove svile.

Možda pauci nisu najatraktivnija stvorenja, ali njihova kreacija - mreža - ne može ne izazvati divljenje. Sjetite se kako geometrijska ispravnost najfinijih niti koje svjetlucaju na suncu, razapetih između grana grma ili među visokom travom, fascinira oko.

Pauci su jedni od najstarijih stanovnika našeg planeta, nastanjeni su na kopnu prije više od 200 milijuna godina. U prirodi postoji oko 35 tisuća vrsta pauka. Ova sveprisutna osmonožna bića prepoznatljiva su uvijek i posvuda, unatoč razlikama u boji i veličini. Ali njihov najvažniji Posebnost je sposobnost proizvodnje paukove svile, prirodnog vlakna nenadmašne u snazi.

Pauci koriste svoje mreže u razne svrhe. Od njega prave čahure za jaja, grade skloništa za zimovanje, koriste ga kao "sigurnosno uže" pri skakanju, pletu zamršene mreže za hvatanje i omotavaju ulovljeni plijen. Ženka spremna za parenje proizvodi paučinasti konac, označen feromonima, zahvaljujući kojima mužjak, krećući se po niti, lako pronalazi partnera. Mladi pauci nekih vrsta odlijeću od roditeljskog gnijezda na dugim nitima koje podiže vjetar.

Pauci se uglavnom hrane kukcima. Naprave za hvatanje koje koriste za dobivanje hrane su najviše različite forme i vrste. Neki pauci jednostavno ispruže nekoliko signalnih niti u blizini svog skloništa i, čim insekt dotakne nit, pojure na njega iz zasjede. Drugi bacaju nit s ljepljivom kapljicom na kraju naprijed, poput vrste lasa. No, vrhunac dizajnerske aktivnosti pauka još uvijek su okrugle mreže u obliku kotača, smještene vodoravno ili okomito.

Da bi izgradio mrežu za hvatanje u obliku kotača, križni pauk, uobičajeni stanovnik naših šuma i vrtova, pušta prilično dugu, čvrstu nit. Povjetarac ili uzlazno strujanje zraka podiže nit prema gore, a ako je mjesto za izgradnju mreže dobro odabrano, prianja uz najbližu granu ili drugu potporu. Pauk puzi duž njega kako bi osigurao kraj, ponekad postavljajući drugu nit za snagu. Potom oslobodi slobodno viseću nit i na njezinu sredinu pričvrsti treću, tako da se dobije struktura u obliku slova Y - prva tri radijusa od više od pedeset. Kada su radijalne niti i okvir spremni, pauk se vraća u središte i počinje postavljati privremenu pomoćnu spiralu - nešto poput "skele". Pomoćna spirala pričvršćuje strukturu i služi kao staza za pauka pri izgradnji spirale za hvatanje. Cijeli glavni okvir mreže, uključujući radijuse, izrađen je od neljepljive niti, ali za spiralu za hvatanje koristi se dvostruka nit premazana ljepilom.

Začudo, ove dvije spirale imaju različite geometrijske oblike. Vremenska spirala ima relativno malo zavoja, a udaljenost između njih se povećava sa svakim zavojem. To se događa zato što se, dok ga polaže, pauk kreće pod istim kutom u odnosu na radijuse. Oblik dobivene izlomljene linije blizak je takozvanoj logaritamskoj spirali.

Ljepljiva spirala za hvatanje izgrađena je prema drugom principu. Pauk počinje od ruba i kreće se prema središtu, držeći isti razmak između zavojnica, te se dobije Arhimedova spirala. Istodobno grize niti pomoćne spirale.

Paukovu svilu proizvode posebne žlijezde koje se nalaze u stražnjem dijelu trbuha pauka. Poznato je da najmanje sedam vrsta paukovih žlijezda proizvodi različite filamente, ali nijedna poznata vrsta pauka nema svih sedam vrsta odjednom. Tipično, pauk ima jedan do četiri para ovih žlijezda. Pletenje mreže nije brz posao i potrebno je oko pola sata da se napravi mreža za zamku srednje veličine. Da bi prešao na proizvodnju druge vrste mreže (za spiralu za hvatanje), pauk treba minutu predaha. Pauci često ponovno koriste mrežu, jedući ostatke mreže za hvatanje oštećene kišom, vjetrom ili kukcima. Mreža se u njihovom tijelu probavlja uz pomoć posebnih enzima.

Struktura paukove svile idealno je razrađena tijekom stotina milijuna godina evolucije. Ovaj prirodni materijal spaja dva prekrasna svojstva - snagu i elastičnost. Mreža mreža sposobna je zaustaviti kukca koji leti punom brzinom. Nit od koje pauci tkaju osnovu mreže za hvatanje tanja je od ljudske vlasi, a njena specifična (to jest, izračunata po jedinici mase) vlačna čvrstoća veća je od čvrstoće čelika. Usporedimo li paučinastu nit s čeličnom žicom istog promjera, tada će izdržati približno istu težinu. Ali paukova svila je šest puta lakša, a time i šest puta jača.

Poput ljudske kose, ovčje vune i svile čahura dudovog svilca, mreže se sastoje prvenstveno od proteina. Po sastavu aminokiselina mrežni proteini – spidroini – relativno su bliski fibroinima, proteinima koji čine svilu koju proizvode gusjenice dudovog svilca. Oba sadrže neuobičajeno visoke količine aminokiselina alanina (25%) i glicina (oko 40%). Područja proteinskih molekula bogata alaninom tvore kristalne regije gusto zbijene u nabore, osiguravajući veliku čvrstoću, a ona područja gdje ima više glicina su amorfniji materijal koji se može dobro rastegnuti i time dati elastičnost niti.

Kako nastaje takva nit? Na ovo pitanje još nema potpunog i jasnog odgovora. Proces ispredanja mreže najdetaljnije je proučavan na primjeru žlijezde u obliku ampule pauka pauka i Nephila clavipes. Ampuloidna žlijezda, koja proizvodi najjaču svilu, sastoji se od tri glavna dijela: središnje vrećice, vrlo dugog zakrivljenog kanala i tubule s izlazom. Od stanica do unutarnja površina iz vrećice izlaze male kuglaste kapljice koje sadrže dvije vrste proteinskih molekula spidroina. Ova viskozna otopina teče u rep vrećice, gdje druge stanice luče drugu vrstu proteina koji se nazivaju glikoproteini. Zahvaljujući glikoproteinima, dobivena vlakna dobivaju tekuću kristalnu strukturu. Tekući kristali su izvanredni po tome što, s jedne strane, imaju visok stupanj uređenosti, a s druge strane, ostaju tekući. Kako se gusta masa kreće prema izlazu, dugačke proteinske molekule se usmjeravaju i poredaju paralelno jedna s drugom u smjeru osi vlakana koje se pojavljuju. U tom slučaju između njih nastaju međumolekularne vodikove veze.

Čovječanstvo je kopiralo mnoga dizajnerska otkrića prirode, ali do sada nije bilo moguće reproducirati tako složen proces kao što je pletenje mreže. Znanstvenici sada pokušavaju riješiti ovaj težak problem uz pomoć biotehnoloških tehnika. Prvi korak bio je izolacija gena odgovornih za proizvodnju proteina koji čine mrežu. Ti su geni uvedeni u stanice bakterija i kvasaca (vidi "Znanost i život" br. 2, 2001.). Kanadski genetičari otišli su i dalje - uzgojili su genetski modificirane koze čije mlijeko sadrži otopljene proteine ​​paučine. Ali problem nije samo u dobivanju proteina paukove svile, potrebno je simulirati prirodni proces predenja. A ovu lekciju prirodoslovci tek trebaju naučiti.