ทำไมเว็บถึงแข็งแกร่งขนาดนี้? เชือกเว็บ

ในศตวรรษที่ 18 บองจากมงต์เปลลิเยร์ถักถุงน่องและถุงมือจากใยแมงมุมให้ตัวเอง ประสบการณ์การใช้ด้ายแมงมุมเพื่อจุดประสงค์ด้านสิ่งทอนี้เป็นเพียงประสบการณ์เดียวเท่านั้น ในปัจจุบัน ใยแมงมุมถูกใช้เป็นเส้นเล็งสำหรับเครื่องมือทางแสงที่มีความแม่นยำเท่านั้น

ใยสังเคราะห์จากกรดอะมิโนในเลือดของแมงมุม สิ่งนี้เกิดขึ้นในเซลล์ที่อยู่ในผนังของต่อมแมง เว็บถูกสร้างขึ้นในหยด พวกมันรวมเข้าด้วยกันในส่วนกลางกลวงของต่อม ของเหลวหนืดนี้เป็นสารละลายเข้มข้นของใยแมงมุม สารละลายจะสะสมอยู่ในต่อมจนกว่าแมงมุมจะมีความต้องการใยและดึงออกมาจากท่อของหูดแมงมุม ใยจะขยายออกเป็นเกลียวบางอย่างรวดเร็วและผ่านจากสถานะที่มีความหนืดไปสู่ของแข็งทันที

สารที่สามารถดึงเข้าไปในเส้นด้ายได้มักจะเป็นโพลีเมอร์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูง ประกอบด้วยโมเลกุลบางยาว โมเลกุลจะบิดเบี้ยวเมื่ออยู่ในสารละลาย อย่างไรก็ตาม หากดึงพวกมันออกจากรูบางๆ พวกมันจะกางออกและวางตำแหน่งไว้ตลอดความยาวของเส้นใย โมเลกุลถูกยึดไว้ในตำแหน่งนี้โดยการเชื่อมโยงข้ามที่เกิดขึ้นระหว่างสายโซ่ที่อยู่ติดกัน

เมื่อเคลื่อนที่แมงมุมมักจะทอด้ายสองเส้นซึ่งเรียกว่าด้ายแขวน มันป้องกันไม่ให้หล่นลงมาและติดไว้กับแผ่นเชื่อมต่อทุกครั้งที่แมงมุมต้องการลง

บางครั้งด้ายที่แขวนอยู่จะเสริมด้วยด้ายที่บางกว่าสองเส้น นอกจากนี้ยังใช้ทำโครงด้านนอกและเกลียวในแนวรัศมีของอวนจับปลาด้วย ส่วนหลักอีกส่วนหนึ่งของตาข่ายจับคือเกลียวเกลียว มันจับแมลงวันที่ตกลงมาจริงๆ

เครือข่ายทั้งหมดมีความเหนียวและยืดหยุ่นสูง สิ่งที่ทำให้มันเหนียวคือหยดของสารที่มีความหนืดมากจำนวนมากซึ่งปกคลุมใยทั้งสองและยึดเข้าด้วยกัน เมื่อสัมผัสกับด้ายที่มีความหนืดเพียงเล็กน้อย แมลงวันก็จะเกาะติด ด้ายสามารถยืดได้โดยไม่ขาดไม่ว่าเหยื่อจะแข็งแกร่งแค่ไหนก็ตาม ซึ่งมักจะส่งผลให้แมลงวันเข้าไปพันกับเส้นด้ายเหนียวๆ ในบริเวณใกล้เคียง แมงมุมจับแมลงวันหมุนโดยใช้ขากรรไกร นิ้วเท้า และขาหน้า ขณะที่ขาหลังดึงใยออกจากหูดแมง แมลงวันจึงไปอยู่ใน "ผ้าพันแผล" และแมงมุมมักจะพาเหยื่อไปยังที่กำบังของมัน ซึ่งมันจะกินทันทีหรือแขวนไว้ "สำรอง"

มีอีกเว็บหนึ่ง มันถูกใช้ทำรังไหม แมงมุมพันไข่ที่วางในฤดูใบไม้ร่วงด้วยด้ายนี้ รังไหมช่วยปกป้องไข่จากสภาพอากาศเลวร้ายและการโจมตีจากสัตว์นักล่าต่างๆ

เว็บประกอบด้วยโปรตีน เป็นที่รู้กันว่าโปรตีนมีบทบาทสำคัญในโครงสร้างและการทำงานของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ประกอบด้วยไมโอซินในกล้ามเนื้อ คอลลาเจนใน เนื้อเยื่อเกี่ยวพัน,ฮีโมโกลบินในเลือดรวมทั้งเอนไซม์ที่ควบคุมทั้งหมด ปฏิกิริยาเคมีในสิ่งมีชีวิต

โปรตีนเป็นโมเลกุลขนาดใหญ่ที่สร้างขึ้นจากกรดอะมิโนที่แตกต่างกันยี่สิบชนิด โมเลกุลโปรตีนใยแมงมุมอาจประกอบด้วยสายโซ่ตั้งแต่หนึ่งสายขึ้นไปที่เชื่อมโยงกันในที่เดียวหรือมากกว่านั้น การเชื่อมโยงข้ามที่แข็งแกร่งเกิดขึ้นจากกรดอะมิโนซีสตีน ซึ่งสามารถ "เกาะ" กับสายโซ่สองสายที่แตกต่างกันได้ ซีสตีนยังสามารถสร้างพันธะระหว่างกันได้ ส่วนต่างๆสายโซ่อันเดียวกันก่อตัวเป็นวง

กรดอะมิโน 20 ชนิดสามารถสร้างโปรตีนต่างๆ จำนวนมากได้ เป้าหมายหลักประการหนึ่งที่นักเคมีโปรตีนมุ่งมั่นคือการกำหนดจำนวนกรดอะมิโนในโปรตีนและตำแหน่งที่สัมพันธ์กัน

เพื่อตรวจสอบองค์ประกอบของกรดอะมิโน มันถูกสลายตัวเป็นกรดอะมิโนที่เป็นส่วนประกอบโดยการต้มในกรดไฮโดรคลอริก จากนั้นส่วนประกอบทั้งหมดจะถูกแยกออกจากส่วนผสมของกรดอะมิโน เมื่อยี่สิบห้าปีที่แล้ว นี่เป็นกระบวนการที่ค่อนข้างซับซ้อน ซึ่งต้องใช้วัสดุและเวลาจำนวนมาก และยิ่งไปกว่านั้น ก็ไม่ได้ให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำเสมอไป ในปัจจุบัน การวิเคราะห์กรดอะมิโนที่สมบูรณ์สามารถทำได้กับวัสดุปริมาณไม่กี่มิลลิกรัมในวันเดียว นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างอุปกรณ์ที่ส่วนผสมของกรดอะมิโนถูกสลายเป็นส่วนประกอบในขั้นแรก จากนั้นปริมาณของกรดอะมิโนจะถูกบันทึกและบันทึกในรูปแบบของกราฟโดยอัตโนมัติ

วิธีการวิเคราะห์เหล่านี้ถูกนำมาใช้เพื่อวิเคราะห์เว็บจำนวนหนึ่ง องค์ประกอบของด้ายรังไหมและด้ายแขวนมีความแตกต่างกันมาก กรดอะมิโนหลักประเภทแรกคืออะลานีนและซีรีน กรดที่สองคือไกลซีนและอะลานีน โปรตีนมากกว่าครึ่งหนึ่งในแต่ละกรณีประกอบด้วยกรดอะมิโนเพียง 2 ตัว แม้ว่าจะมีกรดอะมิโนอื่นๆ อีกหลายชนิดก็ตาม ใยส่วนใหญ่มีกรดอะมิโนที่มีสายด้านข้างสั้นมาก

การรู้ว่ากรดอะมิโนถูกจัดเรียงอย่างไรในโปรตีนมีความสำคัญมาก แต่ก็ยังไม่สามารถอธิบายคุณสมบัติทั้งหมดของเส้นใยได้ คุณสมบัติเหล่านี้ขึ้นอยู่กับการวางตำแหน่งโซ่ที่สัมพันธ์กันเป็นส่วนใหญ่

ในปี 1913 พ่อและลูกชาย Bragg ได้แสดงให้เห็นว่าผลึกของสสารใดๆ ที่หมุนด้วยรังสีเอกซ์ สะท้อนพวกมันในมุมที่กำหนด เพราะมันประกอบด้วยอะตอมที่จัดเรียงอย่างเป็นระเบียบซึ่งก่อตัวเป็นระนาบการสะท้อน ในปีเดียวกันนั้น ชาวญี่ปุ่นสองคน ได้แก่ นิกิชาวา และโอโนะ ค้นพบว่าเส้นใยหลายชนิดซึ่งควรจะไม่มีโครงสร้างเป็นผลึก ก็ให้การสะท้อนบางอย่างเช่นกัน

รูปแบบการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ของใยแมงมุมที่มีอยู่นั้นดูไม่มีนัยสำคัญเมื่อเปรียบเทียบกับภาพเอ็กซ์เรย์ของผลึกจริง แต่สามารถให้ข้อมูลที่สำคัญเกี่ยวกับโครงสร้างของใยแมงมุมได้ ความจริงที่ว่ารูปแบบรังสีเอกซ์ดังกล่าวมีจุดบ่งชี้ว่ามีอยู่ในเส้นใยของใยของบริเวณผลึกที่มีการจัดเรียงอะตอมตามลำดับ เครดิตในการกำหนดโครงสร้างของบริเวณผลึกเหล่านี้ส่วนใหญ่เป็นของศาสตราจารย์ Linus Pauling จากสถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนียและศาสตราจารย์ Warwicker

จากการศึกษาเหล่านี้ เราทราบว่าใยเกือบทุกประเภทมีโครงสร้างที่คล้ายคลึงกัน แนวคิดโดยประมาณสามารถรับได้โดยการวาดเส้นคู่ขนานที่มีระยะห่างเท่ากันหลายเส้นบนกระดาษแผ่นหนึ่งแล้วพับแผ่นนี้ในมุมฉากกับเส้น เส้นเหล่านี้แสดงถึงสายโซ่เปปไทด์ยาว และตำแหน่งที่มันตัดกันรอยพับบ่งบอกถึงตำแหน่งของอะตอมคาร์บอนที่สายโซ่ด้านข้างยื่นออกมา พวกมันทำมุมฉากกับระนาบของแผ่นงาน

ทีนี้ลองพิจารณาแผ่นงานที่คล้ายกันจำนวนหนึ่งพับเข้าด้วยกัน ความหนาแน่นของ "การบรรจุ" จะขึ้นอยู่กับขนาดของกลุ่ม I ใยเกือบทั้งหมดมีสายโซ่จัดเรียงในลักษณะเดียวกันภายในชีต และต่างกันแค่ระยะห่างระหว่างชีตเท่านั้น โดยมีช่วงตั้งแต่ 3.3 ถึง 15.6 อังสตรอม

ด้ายที่อยู่ด้านล่างเป็นทรงกระบอกยาวปกติและมีหน้าตัดเป็นวงกลมเกือบปกติ วิธีหนึ่งในการเปรียบเทียบความละเอียดของเส้นใยคือการรายงานน้ำหนักของเส้นใยตามความยาวที่กำหนด สำหรับใยแมงมุม มักจะแสดงเป็นดีเนียร์ ซึ่งมีน้ำหนักเป็นกรัมของเส้นด้ายยาว 9 กิโลเมตร ในระบบการวัดนี้ ด้ายไหมมีน้ำหนัก 1 เดเนียร์ ในขณะที่เส้นผมของมนุษย์มีน้ำหนัก 40-50 เดเนียร์ น้ำหนักของด้ายรังไหมแมงมุมคือ 0.7 เดเนียร์ และด้ายที่ห้อยอยู่นั้นน้อยกว่า 0.07 เดเนียร์ ด้ายที่ห้อยอยู่รอบโลกที่เส้นศูนย์สูตรจะมีน้ำหนักเพียงประมาณ 340 กรัม

ความแข็งแรงและการยืดตัวของเส้นด้ายมีความสำคัญต่ออุตสาหกรรมสิ่งทอ เพื่อเปรียบเทียบเกลียวที่มีความหนาต่างกัน ความแข็งแรงของมันมักจะแสดงในรูปของความต้านทานแรงดึง นั่นคือ แรงแตกหักหารด้วยดีเนียร์ ความต้านแรงดึงจึงแสดงเป็นกรัมต่อดีเนียร์ ความต้านทานแรงดึงโดยเฉลี่ยของเส้นด้ายรังไหมคือ 2.2 กรัม/ดีเนียร์ และค่าความต้านทานแรงดึงของเส้นด้ายที่ห้อยอยู่ที่ 7.8 กรัม/ดีเนียร์ การยืดตัวในขณะที่เกิดการแตกร้าวถึง 46% และ 31% ตามลำดับ

ด้ายรังไหมค่อนข้างอ่อนซึ่งต่างจากด้ายที่แขวนอยู่ และนี่คือคำอธิบายตามจุดประสงค์ ไม่ควรทนต่อความเครียดได้มาก หน้าที่ของมันคือการสร้างเปลือกป้องกันสำหรับไข่รังไหม เมื่อต้องการทำเช่นนี้ แมงมุมจะทอเส้นด้ายหกชั้นจากด้ายหยิก แต่ละเส้นด้ายของรังไหมประกอบด้วยใยหกเส้น แมงนี้ชวนให้นึกถึงเส้นด้ายขนาดใหญ่ที่ได้รับการพัฒนาในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาเพื่อผลิตเสื้อถักยืดหยุ่นจากเส้นใยที่มนุษย์สร้างขึ้น

เกลียวเกลียวของตาข่ายดักจับซึ่งทำหน้าที่เป็นกับดักใยเหนียวนั้นมีความยืดหยุ่นสูง การขยายตัวและการบีบอัดสามารถย้อนกลับได้อย่างสมบูรณ์และในแง่นี้จึงมีลักษณะคล้ายยาง

หนึ่งในความท้าทายของอุตสาหกรรม วัสดุประดิษฐ์คือการจัดหาวัสดุที่มีคุณสมบัติบางอย่างให้กับลูกค้า เช่น ผ้าชุดชั้นในจะต้องกักเก็บความร้อนและดูดซับความชื้น ในขณะที่สายยางต้องใช้ผ้าที่ทนทานมาก

การพัฒนาเส้นใยโปรตีนเทียมยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น เนื่องจากเรายังไม่สามารถสร้างสายโซ่ยาวที่มีโครงสร้างกรดอะมิโนที่ซับซ้อนได้ อย่างไรก็ตาม เป็นไปได้ที่จะนำกรดอะมิโนหนึ่งตัวมารวมตัวเป็นสายยาว เช่น พอลิอะลานีนหรือโพลี-เมทิลกลูตาเมต เพื่อผลิตเนื้อเยื่อที่ดี นอกจากนี้ยังเป็นไปได้ที่จะได้รับโพลีเมอร์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงโดยมีลำดับไดเปปไทด์ซ้ำ ๆ เช่น ... ไกลซีน - อะลานีน - ไกลซีน - อะลานีน - ไกลซีน-อะลานีน ...

การศึกษาต่อ ประเภทต่างๆใยแมงมุมเป็นวิธีที่จะช่วยเราในการสร้างเส้นใยโปรตีนเทียมอย่างแน่นอน

ป.ล. นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษกำลังพูดถึงอะไรอีก: ในอนาคตจากการศึกษาระดับโมเลกุลของทั้งด้ายแมงมุมและวัสดุธรรมชาติอื่น ๆ ที่มีรายละเอียดมากขึ้น นักวิทยาศาสตร์จะสามารถรับสิ่งที่มีประโยชน์พิเศษมากมายในชีวิตประจำวันของเราได้ เช่น แข็งแกร่งเป็นพิเศษ
ผลิตภัณฑ์คอนกรีตเสริมเหล็กที่ทำจากโพลีเมอร์ชนิดพิเศษหรืออะไรทำนองนั้น

ถือเป็นวัสดุที่ทนทานที่สุดในโลก เว็บ- ความยืดหยุ่นและความแข็งแกร่งของมันนั้นหากสามารถสร้างใยได้ (โดยยังคงคุณสมบัติทั้งหมดไว้) อย่างน้อยก็หนาพอ ๆ กับดินสอ มันก็เป็นไปได้ที่จะแขวนแท็งก์สมัยใหม่ไว้บนมันได้อย่างง่ายดาย

ยิ่งไปกว่านั้น กระบวนการทำงานของสไปเดอร์ยังถูกแก้ไขให้อยู่ในหมวดหมู่สูงสุด - บริษัทอุตสาหกรรมสมัยใหม่ยังห่างไกลจากสิ่งนี้

ยิ่งกว่านั้น แมงมุมไม่ได้สร้าง "แค่" ใย แต่เป็นใยที่มันต้องการในขณะนั้นโดยเฉพาะ การเปลี่ยนสถานที่เป็นสิ่งหนึ่งที่ การจับอาหารเป็นอีกสิ่งหนึ่ง “สร้าง” บ้านให้ตัวเองเป็นประการที่สาม โดยทั่วไปอวนจับปลานั้นถูกสร้างขึ้นจากใยหลายประเภทซึ่งมีลักษณะแตกต่างกันไป อย่างไรก็ตาม เพื่อเปลี่ยน "รุ่น" แมงมุมจะไม่เปลี่ยนเลนและไม่หยุดสายพานลำเลียง - มันจะ "รู้" เสมอว่าต้องใช้ด้ายแบบใด

ในการสร้างใยรูปวงล้อคลาสสิกที่รู้จักกันดี อันดับแรกแมงมุมจะดึงบางสิ่งเช่น "ฐานราก" - ด้ายที่ไม่เหนียวและหนักมากซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ จากนั้นจึงวาง "ซี่" ที่บางกว่าไว้บนพวกมัน จากนั้นจึงเข้าไปพัวพันพื้นที่ที่เหลือเข้า ตรงกลางมีเกลียวที่แทบจะมองไม่เห็น อันตรายที่สุด และมีเกลียวเหนียวซึ่งทำหน้าที่เป็นกับดักแมลงต่างๆ

แมงมุมตกปลาไม่ได้สานใยเลย เขาทำด้ายเส้นเล็กด้วยลูกบอลเหนียวที่ปลาย หลังจากนั้นเขาก็โบกอาวุธนี้อย่างเข้มแข็ง ด้านที่แตกต่างกัน- ขณะเดียวกันก็ส่งกลิ่นหอมคล้ายกับกลิ่นของผีเสื้อกลางคืนที่ออกหาคู่ด้วย ผีเสื้อกลางคืนที่ใจง่ายแห่กันไปตามกลิ่น แต่ผลที่ตามมาก็คือพวกมันถูกลูกบอลเหนียว ๆ ฟาดที่หน้าผากและกลายเป็นอาหารมื้อเย็นของแมงมุม

แมงมุมจะสร้างใยที่นุ่ม หนา และฟูขึ้นมาระหว่างการเดิน ใครอยากจะตกหลุมพรางของมันล่ะ? และหากช่างฝีมือต้องการเปลี่ยนที่อยู่อาศัยเขาก็ปล่อยเว็บร่มชูชีพแบบพิเศษซึ่งถูกลมพัดมาก็สามารถขนส่งเจ้าของได้ในระยะทางไกล

และข้อมูลที่น่าสนใจเพิ่มเติมเกี่ยวกับแมงมุม เมื่อหลายปีก่อน นักวิทยาศาสตร์ในมาดากัสการ์ได้ค้นพบแมงมุมสายพันธุ์ใหม่ที่สามารถสานใยแมงมุมได้ยาวถึง 25 เมตร และมีความแข็งแรงและความหนาที่เหมาะสม (จนถึงขณะนี้เป็นสถิติโลก) แมงมุมทอดตาข่ายขนาดใหญ่ไม่ใช่ระหว่างพุ่มไม้ธรรมดา แต่ข้ามทะเลสาบและแม่น้ำเพื่อจับแมลงที่บินวนอยู่เหนือน้ำ

และเมื่อปีที่แล้ว นักวิทยาศาสตร์สามารถระบุได้ว่าใยแมงมุมมีลักษณะอย่างไรในหน้าตัดขวาง ปรากฎว่าใยนั้นเป็นด้ายโปรตีนที่ดูเหมือนกองแพนเค้ก เส้นผ่านศูนย์กลางของ “แพนเค้ก” แต่ละอันคือ 3 นาโนเมตร และเชื่อมต่อกับเพื่อนบ้านด้วยพันธะไฮโดรเจน

ใครๆ ก็สามารถปัดใยแมงมุมที่ห้อยอยู่ระหว่างกิ่งก้านของต้นไม้หรือใต้เพดานตรงมุมห้องออกไปได้อย่างง่ายดาย แต่มีน้อยคนที่รู้ว่าหากใยมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 มม. ก็สามารถรับน้ำหนักได้ประมาณ 200 กก. ลวดเหล็กที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากันสามารถทนต่อน้ำหนักได้น้อยกว่ามาก: 30–100 กก. ขึ้นอยู่กับประเภทของเหล็ก เหตุใดเว็บจึงมีคุณสมบัติพิเศษเช่นนี้

สไปเดอร์บางตัวปั่นด้ายได้ถึงเจ็ดประเภท ซึ่งแต่ละประเภทก็มีจุดประสงค์ของตัวเอง ด้ายสามารถนำมาใช้ไม่เพียง แต่สำหรับการจับเหยื่อเท่านั้น แต่ยังสำหรับการสร้างรังไหมและการกระโดดร่ม (โดยการลอยตัวในสายลมแมงมุมสามารถหลบหนีจากการคุกคามอย่างกะทันหันและแมงมุมรุ่นเยาว์ก็แพร่กระจายไปยังดินแดนใหม่ด้วยวิธีนี้) เว็บแต่ละประเภทผลิตโดยต่อมพิเศษ

ใยที่ใช้จับเหยื่อประกอบด้วยเส้นด้ายหลายประเภท (รูปที่ 1): โครง รัศมี ตัวจับ และอุปกรณ์เสริม ความสนใจที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของนักวิทยาศาสตร์คือด้ายแบบเฟรม: มีทั้งความแข็งแรงสูงและความยืดหยุ่นสูง - การผสมผสานคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์นี้เข้าด้วยกัน แรงดึงสูงสุดของเกลียวโครงของสไปเดอร์ อาราเนอุส ไดอาเดมาทัสคือ 1.1–2.7 สำหรับการเปรียบเทียบ: ความต้านทานแรงดึงของเหล็กคือ 0.4–1.5 GPa และเส้นผมของมนุษย์คือ 0.25 GPa ในเวลาเดียวกัน เกลียวเฟรมสามารถยืดได้ 30–35% และโลหะส่วนใหญ่สามารถทนต่อการเสียรูปได้ไม่เกิน 10–20%

ลองจินตนาการถึงแมลงบินที่โดนใยที่ทอดยาว ในกรณีนี้ ด้ายของใยจะต้องยืดออกเพื่อให้พลังงานจลน์ของแมลงบินถูกแปลงเป็นความร้อน หากใยเก็บพลังงานที่ได้รับไว้ในรูปแบบของพลังงานการเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่น แมลงก็จะกระเด้งออกจากใยเหมือนจากแทรมโพลีน คุณสมบัติที่สำคัญของเว็บก็คือมันส่งเสียงออกมามาก จำนวนมากความร้อนในระหว่างการยืดออกอย่างรวดเร็วและการหดตัวตามมา: พลังงานที่ปล่อยออกมาต่อหน่วยปริมาตรมากกว่า 150 MJ/m3 (เหล็กจะปล่อย 6 MJ/m3) ช่วยให้ใยกระจายพลังงานกระแทกได้อย่างมีประสิทธิภาพ และไม่ยืดออกมากเกินไปเมื่อจับเหยื่อได้ ใยแมงมุมหรือโพลีเมอร์ที่มีคุณสมบัติคล้ายคลึงกันอาจเป็นวัสดุที่เหมาะสำหรับชุดเกราะน้ำหนักเบา

ใน ยาพื้นบ้านมีสูตรดังกล่าว: เพื่อหยุดเลือดคุณสามารถใช้ใยแมงมุมกับบาดแผลหรือรอยถลอกเพื่อกำจัดแมลงและกิ่งไม้เล็ก ๆ ที่ติดอยู่อย่างระมัดระวัง ปรากฎว่าใยแมงมุมมีผลห้ามเลือดและเร่งการรักษาผิวหนังที่เสียหาย ศัลยแพทย์และแพทย์ปลูกถ่ายอวัยวะสามารถใช้เป็นวัสดุในการเย็บ เสริมความแข็งแรงให้กับรากฟันเทียม หรือแม้แต่เป็นช่องว่างสำหรับ อวัยวะเทียม- การใช้ใยแมงมุมทำให้คุณสมบัติทางกลของวัสดุหลายชนิดที่ใช้ในการแพทย์ในปัจจุบันได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ

ดังนั้นใยแมงมุมจึงเป็นวัสดุที่แปลกและมีแนวโน้มมาก กลไกระดับโมเลกุลใดบ้างที่รับผิดชอบต่อคุณสมบัติพิเศษของมัน?

เราคุ้นเคยกับความจริงที่ว่าโมเลกุลเป็นวัตถุที่มีขนาดเล็กมาก อย่างไรก็ตาม ก็ไม่ได้เป็นเช่นนั้นเสมอไป โพลีเมอร์มีอยู่ทั่วไปรอบตัวเรา ซึ่งมีโมเลกุลยาวซึ่งประกอบด้วยหน่วยที่เหมือนกันหรือคล้ายกัน ทุกคนรู้ดีว่าข้อมูลทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตถูกบันทึกไว้ในโมเลกุลดีเอ็นเอขนาดยาว ทุกคนถือถุงพลาสติกในมือซึ่งประกอบด้วยโมเลกุลโพลีเอทิลีนที่พันกันเป็นเส้นยาว โมเลกุลโพลีเมอร์อาจมีขนาดมหาศาล

ตัวอย่างเช่น มวลของโมเลกุล DNA ของมนุษย์หนึ่งโมเลกุลมีค่าประมาณ 1.9·10 12 amu (อย่างไรก็ตาม ซึ่งมากกว่ามวลของโมเลกุลน้ำประมาณหนึ่งแสนล้านเท่า) ความยาวของแต่ละโมเลกุลคือหลายเซนติเมตร และความยาวรวมของโมเลกุล DNA ของมนุษย์ทั้งหมดอยู่ที่ 10,11 กม.

โพลีเมอร์ธรรมชาติประเภทที่สำคัญที่สุดคือโปรตีนซึ่งประกอบด้วยหน่วยที่เรียกว่ากรดอะมิโน โปรตีนต่างๆ ทำหน้าที่ที่แตกต่างกันอย่างมากในสิ่งมีชีวิต เช่น ควบคุมปฏิกิริยาเคมี ใช้เป็นวัสดุก่อสร้าง สำหรับการป้องกัน ฯลฯ

ด้ายนั่งร้านของเว็บประกอบด้วยโปรตีนสองตัวซึ่งเรียกว่าสไปโดรอิน 1 และ 2 (จากภาษาอังกฤษ แมงมุม- แมงมุม) สไปดรอยเป็นโมเลกุลยาวที่มีมวลตั้งแต่ 120,000 ถึง 720,000 อามู ลำดับกรดอะมิโนของสไปโดรอินอาจแตกต่างกันไปในแต่ละสไปเดอร์ แต่สไปโดรอินทั้งหมดมีลักษณะที่เหมือนกัน หากคุณยืดโมเลกุลสไปโดรอินยาว ๆ ออกมาเป็นเส้นตรงในใจแล้วดูลำดับของกรดอะมิโนปรากฎว่ามันประกอบด้วยส่วนที่ซ้ำกันซึ่งคล้ายกัน (รูปที่ 2) บริเวณสองประเภทสลับกันในโมเลกุล: ค่อนข้างชอบน้ำ (บริเวณที่สัมผัสกับโมเลกุลของน้ำได้ดี) และค่อนข้างไม่ชอบน้ำ (บริเวณที่หลีกเลี่ยงการสัมผัสกับน้ำ) ที่ปลายแต่ละโมเลกุลจะมีบริเวณที่ชอบน้ำแบบไม่เกิดซ้ำสองบริเวณ และบริเวณที่ไม่ชอบน้ำประกอบด้วยกรดอะมิโนที่เรียกว่าอะลานีนซ้ำหลายครั้ง

โมเลกุลขนาดยาว (เช่น โปรตีน ดีเอ็นเอ โพลีเมอร์สังเคราะห์) อาจถูกมองว่าเป็นเชือกที่พันกันและยับยู่ยี่ การยืดออกไม่ใช่เรื่องยาก เพราะห่วงภายในโมเลกุลสามารถยืดออกได้ ต้องใช้ความพยายามเพียงเล็กน้อย โพลีเมอร์บางชนิด (เช่น ยาง) สามารถยืดได้ถึง 500% ของความยาวเดิม ดังนั้นความสามารถของใยแมงมุม (วัสดุที่ประกอบด้วยโมเลกุลยาว) ที่จะเปลี่ยนรูปได้มากกว่าโลหะจึงไม่น่าแปลกใจ

ความแรงของเว็บมาจากไหน?

เพื่อให้เข้าใจสิ่งนี้ สิ่งสำคัญคือต้องปฏิบัติตามกระบวนการสร้างเส้นด้าย ภายในต่อมแมงมุม spidroins จะสะสมในรูปของสารละลายเข้มข้น เมื่อเส้นใยถูกสร้างขึ้น สารละลายนี้จะปล่อยต่อมผ่านช่องแคบ ซึ่งจะช่วยยืดโมเลกุลและปรับทิศทางไปตามทิศทางของการยืด และการเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่เกี่ยวข้องทำให้โมเลกุลเกาะติดกัน ชิ้นส่วนของโมเลกุลที่ประกอบด้วยอะลานีนรวมตัวกันและสร้างโครงสร้างที่เป็นระเบียบคล้ายกับคริสตัล (รูปที่ 3) ภายในโครงสร้างดังกล่าว ชิ้นส่วนต่างๆ จะถูกวางขนานกันและเชื่อมโยงถึงกันด้วยพันธะไฮโดรเจน พื้นที่เหล่านี้เชื่อมต่อกันซึ่งทำให้เกิดความแข็งแรงของเส้นใย ขนาดโดยทั่วไปของบริเวณโมเลกุลที่อัดแน่นเช่นนี้คือหลายนาโนเมตร พื้นที่ที่ชอบน้ำที่อยู่รอบๆ พวกมันจะถูกขดแบบสุ่ม คล้ายกับเชือกที่ยับยู่ยี่ พวกมันสามารถยืดออกและทำให้เว็บยืดออกได้

วัสดุคอมโพสิตหลายชนิด เช่น พลาสติกเสริมแรง ถูกสร้างขึ้นบนหลักการเดียวกันกับด้ายนั่งร้าน: ในเมทริกซ์ที่ค่อนข้างอ่อนและยืดหยุ่น ซึ่งช่วยให้เสียรูปได้ มีพื้นที่แข็งเล็กๆ ที่ทำให้วัสดุมีความแข็งแรง แม้ว่านักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุจะทำงานร่วมกับระบบที่คล้ายกันมาเป็นเวลานานแล้ว แต่วัสดุคอมโพสิตที่มนุษย์สร้างขึ้นเป็นเพียงการเริ่มต้นเข้าใกล้ใยแมงมุมในคุณสมบัติของมันเท่านั้น

ที่น่าสนใจคือเมื่อใยเปียก มันจะหดตัวอย่างมาก (ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการหดตัวยิ่งยวด) สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากโมเลกุลของน้ำทะลุผ่านเส้นใยและทำให้บริเวณที่ชอบน้ำที่ไม่เป็นระเบียบเคลื่อนที่ได้มากขึ้น หากใยยืดและหย่อนคล้อยเนื่องจากแมลงในวันที่ชื้นหรือมีฝนตกก็จะหดตัวและในเวลาเดียวกันก็คืนรูปร่างกลับคืนมา

หมายเหตุด้วย คุณสมบัติที่น่าสนใจการสร้างด้าย แมงมุมจะขยายใยออกภายใต้อิทธิพลของน้ำหนักของมันเอง แต่ใยที่ได้ (เส้นผ่านศูนย์กลางเกลียวประมาณ 1–10 ไมโครเมตร) มักจะสามารถรองรับมวลได้หกเท่าของตัวแมงมุมเอง หากคุณเพิ่มน้ำหนักของแมงมุมด้วยการหมุนด้วยเครื่องหมุนเหวี่ยง มันจะเริ่มหลั่งใยที่หนาขึ้นและทนทานมากขึ้น แต่มีความแข็งน้อยลง

เมื่อพูดถึงการใช้ใยแมงมุม คำถามเกิดขึ้นว่าจะได้ใยแมงมุมในปริมาณทางอุตสาหกรรมได้อย่างไร มีสถานที่จัดวางในโลกสำหรับแมงมุม "รีดนม" ซึ่งดึงด้ายออกแล้วพันด้วยแกนพิเศษ อย่างไรก็ตามวิธีนี้ไม่ได้ผล: ในการสะสมเว็บ 500 กรัม จำเป็นต้องมีสไปเดอร์ขนาดกลาง 27,000 ตัว และที่นี่วิศวกรรมชีวภาพมาช่วยเหลือนักวิจัย เทคโนโลยีสมัยใหม่ทำให้สามารถแนะนำยีนที่เข้ารหัสโปรตีนใยแมงมุมเข้าไปในสิ่งมีชีวิตต่างๆ เช่น แบคทีเรียหรือยีสต์ สิ่งมีชีวิตดัดแปลงพันธุกรรมเหล่านี้กลายเป็นแหล่งที่มาของใยสังเคราะห์ โปรตีนที่ได้จากวิธีการ พันธุวิศวกรรมเรียกว่ารีคอมบิแนนท์ โปรดทราบว่าโดยปกติแล้วสปิโดรอินชนิดรีคอมบิแนนท์จะมีขนาดเล็กกว่าธรรมชาติมาก แต่โครงสร้างของโมเลกุล (บริเวณที่ชอบน้ำและไม่ชอบน้ำสลับกัน) ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง

มีความมั่นใจว่าใยสังเคราะห์จะไม่ด้อยกว่าคุณสมบัติของใยธรรมชาติและจะพบมัน การประยุกต์ใช้จริงเป็นวัสดุที่ทนทานและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม ในรัสเซีย กลุ่มวิทยาศาสตร์หลายกลุ่มจากสถาบันต่างๆ กำลังร่วมกันศึกษาคุณสมบัติของเว็บ การผลิตใยแมงมุมรีคอมบิแนนท์นั้นดำเนินการที่สถาบันวิจัยพันธุศาสตร์และการคัดเลือกจุลินทรีย์อุตสาหกรรมแห่งรัฐทางกายภาพและ คุณสมบัติทางเคมีมีการศึกษาโปรตีนที่ภาควิชาวิศวกรรมชีวภาพ คณะชีววิทยา มหาวิทยาลัยแห่งรัฐมอสโก M.V. Lomonosov ผลิตภัณฑ์จากโปรตีนใยแมงมุมก่อตั้งขึ้นที่สถาบันเคมีชีวภาพแห่ง Russian Academy of Sciences การใช้งานทางการแพทย์กำลังศึกษาอยู่ที่สถาบันการปลูกถ่ายอวัยวะและอวัยวะเทียม

แมงมุมเป็นของผู้อาศัยที่เก่าแก่ที่สุดในโลก: พบร่องรอยของแมงตัวแรกในหินที่มีอายุ 340–450 ล้านปี แมงมุมมีอายุมากกว่าไดโนเสาร์ประมาณ 200–300 ล้านปี และมีอายุมากกว่าสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมชนิดแรกมากกว่า 400 ล้านปี ธรรมชาติมีเวลามากพอที่จะไม่เพียงเพิ่มจำนวนแมงมุมสายพันธุ์ (ประมาณ 60,000 ชนิด) แต่ยังจัดให้มีนักล่าแปดขาเหล่านี้ด้วยวิธีการล่าสัตว์ที่น่าทึ่ง - เว็บ รูปแบบของเว็บอาจแตกต่างกันไม่เพียงเท่านั้นประเภทต่างๆ

แต่ยังอยู่ในแมงมุมตัวหนึ่งต่อหน้าสารเคมีบางชนิด เช่น วัตถุระเบิดหรือยาเสพติด แม้แต่แมงมุมก็จะถูกปล่อยออกสู่อวกาศเพื่อศึกษาผลกระทบของแรงโน้มถ่วงน้อยต่อรูปแบบของใยแมงมุม

อย่างไรก็ตาม สารที่ประกอบขึ้นเป็นใยนั้นซ่อนความลึกลับไว้มากที่สุด

เส้นใยต่างๆ เช่นเดียวกับเส้นผม ขนของสัตว์ และเส้นไหม ประกอบด้วยโปรตีนเป็นส่วนใหญ่ แต่สายโซ่โพลีเปปไทด์ในด้ายแมงมุมแต่ละเส้นนั้นพันกันในลักษณะที่ผิดปกติจนเกือบจะได้รับความแข็งแกร่งเป็นประวัติการณ์ ด้ายเดี่ยวที่ผลิตโดยแมงมุมจะมีความแข็งแรงพอๆ กับลวดเหล็กที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากัน เชือกที่ทอจากใยแมงมุมซึ่งมีความหนาเพียงดินสอเท่านั้น สามารถยึดรถปราบดิน รถถัง และแม้กระทั่งเครื่องบินแอร์บัสที่ทรงพลังอย่างเครื่องบินโบอิ้ง 747 ได้ แต่ความหนาแน่นของเหล็กนั้นมากกว่าใยแมงมุมถึงหกเท่า

เป็นที่รู้กันว่าเส้นไหมมีความแข็งแรงสูงเพียงใด ตัวอย่างคลาสสิกคือการสังเกตของแพทย์ชาวแอริโซนาเมื่อปี พ.ศ. 2424 ต่อหน้าแพทย์คนนี้ มีการยิงกันโดยมีมือปืนคนหนึ่งเสียชีวิต กระสุนสองนัดโดนหน้าอกแล้วทะลุผ่านไป ในเวลาเดียวกัน ชิ้นส่วนของผ้าเช็ดหน้าผ้าไหมก็ยื่นออกมาจากด้านหลังของบาดแผลแต่ละอัน กระสุนทะลุเสื้อผ้า กล้ามเนื้อ และกระดูก แต่ไม่สามารถฉีกผ้าไหมที่ขวางทางได้ เหตุใดจึงมีการใช้โครงสร้างเหล็กในเทคโนโลยี ไม่ใช่โครงสร้างที่เบากว่าและยืดหยุ่นกว่าซึ่งทำจากวัสดุที่คล้ายกับใยแมงมุม เหตุใดร่มชูชีพจึงไม่ถูกแทนที่ด้วยวัสดุชนิดเดียวกัน คำตอบนั้นง่ายมาก: พยายามสร้างวัสดุประเภทที่แมงมุมผลิตได้ง่ายทุกวัน - มันจะไม่ทำงาน!โลกได้ศึกษาองค์ประกอบทางเคมีของใยของช่างทอแปดขามานานแล้ว และในปัจจุบันภาพของโครงสร้างของมันถูกเปิดเผยไม่มากก็น้อย ใยแมงมุมมีแกนในของโปรตีนที่เรียกว่าไฟโบรอิน และรอบๆ แกนกลางนี้มีชั้นที่มีศูนย์กลางของไกลโคโปรตีนนาโนไฟเบอร์ ไฟโบรอินคิดเป็นประมาณ 2/3 ของมวลของใย (รวมทั้งเส้นใยไหมธรรมชาติด้วย) เป็นของเหลวที่มีความหนืดและมีน้ำเชื่อมซึ่งเกิดปฏิกิริยาโพลีเมอร์และแข็งตัวในอากาศ

เส้นใยไกลโคโปรตีนซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียงไม่กี่นาโนเมตรสามารถวางขนานกับแกนของเส้นใยไฟโบรอินหรือสร้างเป็นเกลียวรอบเกลียวได้ ไกลโคโปรตีนเป็นโปรตีนเชิงซ้อนที่มีคาร์โบไฮเดรตและมี น้ำหนักโมเลกุลจาก 15,000 ถึง 1,000,000 อามู - ไม่เพียงมีอยู่ในแมงมุมเท่านั้น แต่ยังอยู่ในเนื้อเยื่อของสัตว์ พืช และจุลินทรีย์ทุกชนิดด้วย (โปรตีนบางชนิดของพลาสมาในเลือด เนื้อเยื่อของกล้ามเนื้อ เยื่อหุ้มเซลล์ ฯลฯ)

ในระหว่างการก่อตัวของใย เส้นใยไกลโคโปรตีนจะเชื่อมต่อถึงกันเนื่องจากพันธะไฮโดรเจน เช่นเดียวกับพันธะระหว่างกลุ่ม CO และ NH และสัดส่วนที่มีนัยสำคัญของพันธะจะเกิดขึ้นในต่อมแมงมุมแมงของแมง โมเลกุลไกลโคโปรตีนสามารถสร้างผลึกเหลวโดยมีชิ้นส่วนรูปแท่งที่เรียงซ้อนกันขนานกัน ทำให้โครงสร้างมีความแข็งแรงเหมือนของแข็ง ในขณะเดียวกันก็รักษาความสามารถในการไหลเหมือนของเหลวได้

ส่วนประกอบหลักของเว็บคือกรดอะมิโนที่ง่ายที่สุด: ไกลซีน H 2 NCH 2 COOH และอะลานีน CH 3 CHNH 2 COOH เว็บยังมีสารอนินทรีย์ - โพแทสเซียมไฮโดรเจนฟอสเฟตและโพแทสเซียมไนเตรต หน้าที่ของพวกมันลดลงในการปกป้องใยจากเชื้อราและแบคทีเรีย และอาจสร้างเงื่อนไขสำหรับการก่อตัวของเธรดในต่อม

คุณลักษณะที่โดดเด่นของเว็บคือความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ประกอบด้วยสารที่สภาพแวดล้อมทางธรรมชาติดูดซึมได้ง่ายและไม่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมนี้ ในเรื่องนี้เว็บไม่มีแอนะล็อกที่สร้างขึ้นด้วยมือมนุษย์

แมงมุมสามารถสร้างเส้นด้ายที่มีโครงสร้างและคุณสมบัติต่างกันได้ถึงเจ็ดเส้น: บางชนิดสำหรับจับ "อวน" บางชนิดสำหรับการเคลื่อนที่ของมันเอง บางชนิดสำหรับส่งสัญญาณ ฯลฯ เส้นด้ายเหล่านี้เกือบทั้งหมดสามารถนำไปใช้ได้อย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรมและชีวิตประจำวัน ถ้า จะสามารถผลิตได้อย่างกว้างขวาง อย่างไรก็ตาม เป็นไปไม่ได้เลยที่จะ "เชื่อง" แมงมุม เช่น หนอนไหม หรือจัดฟาร์มแมงมุมที่มีเอกลักษณ์เฉพาะตัว นิสัยก้าวร้าวของแมงมุมและลักษณะนิสัยของชาวนาแต่ละคนไม่น่าจะยอมให้ทำเช่นนี้ได้ และเพื่อผลิตเว็บแฟบริคเพียง 1 เมตร ต้องใช้ "งาน" ของสไปเดอร์มากกว่า 400 ตัว

เป็นไปได้ไหมที่จะทำซ้ำกระบวนการทางเคมีที่เกิดขึ้นในร่างกายของแมงมุมและคัดลอกวัสดุธรรมชาติ? นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรได้พัฒนาเทคโนโลยีของเคฟล่าร์ - เส้นใยอะรามิดมานานแล้ว:

ผลิตในระดับอุตสาหกรรมและเข้าใกล้คุณสมบัติของใยแมงมุม เส้นใยเคฟล่าร์นั้นอ่อนกว่าใยแมงมุมถึงห้าเท่า แต่ก็ยังแข็งแรงมากจนใช้ทำเสื้อกันกระสุนน้ำหนักเบา หมวกแข็ง ถุงมือ เชือก ฯลฯ แต่เคฟล่าร์ผลิตขึ้นในสารละลายกรดซัลฟิวริกร้อน ในขณะที่แมงมุมต้องการอุณหภูมิปกติ นักเคมียังไม่รู้ว่าจะเข้าใกล้สภาวะดังกล่าวได้อย่างไร

อย่างไรก็ตาม นักชีวเคมีเข้าใกล้การแก้ปัญหาด้านวัสดุศาสตร์มากขึ้น ขั้นแรก มีการระบุและถอดรหัสยีนของแมงมุม โดยตั้งโปรแกรมการก่อตัวของเกลียวของโครงสร้างอย่างใดอย่างหนึ่ง ปัจจุบันนี้ใช้กับแมงมุม 14 สายพันธุ์ จากนั้นผู้เชี่ยวชาญชาวอเมริกันจากศูนย์วิจัยหลายแห่ง (แต่ละกลุ่มแยกกัน) นำยีนเหล่านี้ไปใช้กับแบคทีเรีย โดยพยายามเพื่อให้ได้โปรตีนที่จำเป็นในสารละลาย

นักวิทยาศาสตร์จากบริษัทเทคโนโลยีชีวภาพของแคนาดา Nexia นำยีนดังกล่าวไปใช้กับหนู จากนั้นจึงเปลี่ยนเป็นแพะ และแพะก็เริ่มผลิตนมด้วยโปรตีนชนิดเดียวกันที่ก่อตัวเป็นใยแมงมุม ในฤดูร้อนปี 1999 ปีเตอร์และเว็บสเตอร์เหรียญแอฟริกันสองตัว ได้รับการตั้งโปรแกรมทางพันธุกรรมเพื่อผลิตแพะที่มีนมซึ่งมีโปรตีนนี้อยู่ พันธุ์นี้ดีเพราะลูกจะโตเต็มวัยเมื่ออายุได้สามเดือน บริษัทยังคงนิ่งเงียบเกี่ยวกับวิธีการทำเส้นด้ายจากนม แต่ได้จดทะเบียนชื่อของวัสดุใหม่ที่สร้างขึ้นแล้ว - “BioSteel” บทความเกี่ยวกับคุณสมบัติของ "ไบโอสตีล" ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร "วิทยาศาสตร์" (“วิทยาศาสตร์”, 2002, ฉบับ 295, หน้า 427)

ผู้เชี่ยวชาญชาวเยอรมันจาก Gatersleben ใช้เส้นทางที่แตกต่าง: พวกเขานำยีนที่มีลักษณะคล้ายแมงมุมมาสู่พืช - มันฝรั่งและยาสูบ พวกเขาสามารถได้รับโปรตีนที่ละลายน้ำได้มากถึง 2% ในหัวมันฝรั่งและใบยาสูบ ซึ่งประกอบด้วยสปิโดรอินเป็นส่วนใหญ่ (ไฟโบรอินหลักของแมงมุม) คาดว่าเมื่อปริมาณสไปดรอยที่ผลิตออกมามีนัยสำคัญ ก็จะนำไปใช้ทำผ้าพันแผลทางการแพทย์ก่อน

นมที่ได้จากแพะดัดแปลงพันธุกรรมแทบจะไม่สามารถแยกแยะรสชาติจากนมธรรมชาติได้ มันฝรั่งดัดแปลงพันธุกรรมนั้นคล้ายคลึงกับมันฝรั่งทั่วไปโดยหลักการแล้วสามารถต้มและทอดได้

ผู้สมัครสาขาวิทยาศาสตร์กายภาพและคณิตศาสตร์ E. Lozovskaya

วิทยาศาสตร์กับชีวิต // ภาพประกอบ

สารยึดเกาะที่หุ้มเกลียวของเกลียวจับจะกระจายอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งแผ่นใยในรูปของหยดเม็ดบีด รูปภาพแสดงบริเวณที่มีเกลียวดักจับสองชิ้นติดอยู่กับรัศมี

วิทยาศาสตร์กับชีวิต // ภาพประกอบ

วิทยาศาสตร์กับชีวิต // ภาพประกอบ

วิทยาศาสตร์กับชีวิต // ภาพประกอบ

วิทยาศาสตร์กับชีวิต // ภาพประกอบ

ระยะเริ่มแรกการสร้างตาข่ายดักจับด้วยแมงมุมกางเขน

เกลียวลอการิทึมอธิบายโดยประมาณเกี่ยวกับรูปร่างของเกลียวเกลียวเสริมที่แมงมุมวางเมื่อสร้างตาข่ายจับรูปล้อ

เกลียวอาร์คิมิดีสอธิบายรูปร่างของเกลียวดักจับกาว

เส้นด้ายซิกแซกเป็นหนึ่งในคุณสมบัติของใยแมงมุมในสกุล Argiope

บริเวณที่เป็นผลึกของเส้นใยไหมมีโครงสร้างพับคล้ายกับที่แสดงในภาพ แต่ละโซ่เชื่อมต่อกันด้วยพันธะไฮโดรเจน

แมงมุมลูกผสมที่เพิ่งโผล่ออกมาจากรังไหม

แมงมุมในวงศ์ Dinopidae spinosa สานใยระหว่างขาของมันแล้วเหวี่ยงมันไปบนเหยื่อของมัน

แมงมุมกางเขน (Araneus diadematus) ขึ้นชื่อในเรื่องความสามารถในการสานใยดักขนาดใหญ่ที่มีรูปทรงคล้ายล้อ

แมงมุมบางชนิดยังติด "บันได" ยาวไว้กับกับดักทรงกลมซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการล่าสัตว์ได้อย่างมาก

วิทยาศาสตร์กับชีวิต // ภาพประกอบ

นี่คือลักษณะที่ท่อแมงมุมซึ่งมีเส้นด้ายใยแมงมุมปรากฏขึ้นภายใต้กล้องจุลทรรศน์

แมงมุมอาจไม่ใช่สิ่งมีชีวิตที่น่าดึงดูดที่สุด แต่การสร้างใยแมงมุมของพวกมันนั้นก็สร้างแรงบันดาลใจได้อย่างน่าเกรงขาม โปรดจำไว้ว่าความสม่ำเสมอทางเรขาคณิตของเส้นด้ายที่ดีที่สุดที่ส่องแสงระยิบระยับในดวงอาทิตย์ทอดยาวระหว่างกิ่งก้านของพุ่มไม้หรือท่ามกลางหญ้าสูงนั้นดึงดูดสายตาได้อย่างไร

แมงมุมเป็นหนึ่งในสิ่งมีชีวิตที่เก่าแก่ที่สุดในโลกของเรา โดยมาตั้งถิ่นฐานบนบกเมื่อกว่า 200 ล้านปีก่อน มีแมงมุมประมาณ 35,000 สายพันธุ์ในธรรมชาติ สิ่งมีชีวิตแปดขาเหล่านี้อาศัยอยู่ทุกหนทุกแห่งสามารถจดจำได้เสมอและทุกที่ แม้จะมีสีและขนาดแตกต่างกันก็ตาม แต่สิ่งที่สำคัญที่สุดคือ คุณสมบัติที่โดดเด่น- คือความสามารถในการผลิต ไหมแมงมุมซึ่งเป็นเส้นใยธรรมชาติที่ไม่มีใครเทียบได้ในด้านความแข็งแกร่ง

แมงมุมใช้ใยเพื่อวัตถุประสงค์ที่หลากหลาย พวกเขาสร้างรังไหมสำหรับไข่จากมัน สร้างที่พักพิงสำหรับฤดูหนาว ใช้เป็น "เชือกนิรภัย" ในการกระโดด สานตาข่ายดักจับที่ซับซ้อน และพันเหยื่อที่จับได้ ตัวเมียที่พร้อมสำหรับการผสมพันธุ์จะสร้างเว็บเธรดที่มีฟีโรโมนซึ่งต้องขอบคุณที่ตัวผู้เคลื่อนที่ไปตามเธรดจึงสามารถหาคู่ได้อย่างง่ายดาย แมงมุมบางสายพันธุ์บินหนีออกจากรังของพ่อแม่ด้วยเส้นด้ายยาวที่ถูกลมพัดพาไป

แมงมุมกินแมลงเป็นหลัก อุปกรณ์ล่าสัตว์ที่พวกเขาใช้เพื่อหาอาหารนั้นมีมากที่สุด รูปแบบที่แตกต่างกันและประเภท แมงมุมบางตัวเพียงแค่ยืดเส้นสัญญาณหลาย ๆ เส้นออกไปใกล้กับที่กำบังของมัน และทันทีที่แมลงสัมผัสด้าย พวกมันก็รีบวิ่งเข้าไปหามันจากการซุ่มโจมตี บ้างก็โยนด้ายโดยให้ปลายด้ายเหนียวๆ ไปข้างหน้า เหมือนบ่วงบาศ แต่จุดสุดยอดของกิจกรรมการออกแบบแมงมุมยังคงเป็นอวนรูปวงล้อทรงกลมซึ่งตั้งอยู่ในแนวนอนหรือแนวตั้ง

ในการสร้างตาข่ายจับรูปวงล้อ แมงมุมกางเขนซึ่งเป็นสัตว์ที่อาศัยอยู่ในป่าและสวนของเรา จะสร้างด้ายที่ค่อนข้างยาวและแข็งแรง ลมพัดหรือกระแสลมที่เพิ่มขึ้นช่วยยกด้ายขึ้น และหากเลือกสถานที่สำหรับสร้างใยอย่างดี ก็จะเกาะติดกับกิ่งก้านที่ใกล้ที่สุดหรือส่วนรองรับอื่นๆ แมงมุมคลานไปตามมันเพื่อยึดปลาย บางครั้งก็วางด้ายอีกเส้นเพื่อความแข็งแรง จากนั้นเขาก็ปล่อยด้ายที่แขวนไว้อย่างอิสระและติดหนึ่งในสามไว้ที่ตรงกลางเพื่อให้ได้โครงสร้างรูปตัว Y - สามรัศมีแรกจากมากกว่าห้าสิบ เมื่อเกลียวและโครงรัศมีพร้อม สไปเดอร์จะกลับไปที่ศูนย์กลางและเริ่มวางเกลียวเสริมชั่วคราว - บางอย่างเช่น "นั่งร้าน" เกลียวเสริมช่วยยึดโครงสร้างไว้ด้วยกันและทำหน้าที่เป็นเส้นทางสำหรับแมงมุมเมื่อสร้างเกลียวแบบจับ โครงหลักทั้งหมดของตาข่ายรวมทั้งรัศมีนั้นทำจากด้ายที่ไม่ยึดติด แต่สำหรับเกลียวตัวจับนั้น จะใช้ด้ายคู่ที่เคลือบด้วยสารยึดเกาะ

สิ่งที่น่าประหลาดใจก็คือ เกลียวทั้งสองนี้มีรูปทรงเรขาคณิตที่แตกต่างกัน เกลียวชั่วคราวมีการหมุนค่อนข้างน้อย และระยะห่างระหว่างเกลียวทั้งสองจะเพิ่มขึ้นในแต่ละเทิร์น สิ่งนี้เกิดขึ้นเพราะเมื่อวางแมงมุมจะเคลื่อนที่ในมุมเดียวกันกับรัศมี รูปร่างของเส้นประที่เกิดขึ้นนั้นอยู่ใกล้กับเกลียวลอการิทึมที่เรียกว่า

เกลียวดักจับแบบเหนียวถูกสร้างขึ้นตามหลักการที่แตกต่างกัน แมงมุมเริ่มต้นที่ขอบและเคลื่อนที่เข้าหาศูนย์กลาง โดยรักษาระยะห่างระหว่างทางเลี้ยวเท่าเดิม ทำให้เกิดเกลียวอาร์คิมิดีส ในเวลาเดียวกันก็กัดเกลียวเกลียวเสริมออก

ใยแมงมุมผลิตโดยต่อมพิเศษที่อยู่ด้านหลังช่องท้องของแมงมุม มีต่อมแมงมุมอย่างน้อยเจ็ดชนิดที่ทราบกันว่าสร้างเส้นใยต่างกัน แต่ไม่มีแมงมุมชนิดใดที่รู้จักที่มีทั้งเจ็ดชนิดในคราวเดียว โดยปกติแล้วแมงมุมจะมีต่อมเหล่านี้ตั้งแต่หนึ่งถึงสี่คู่ การสานใยไม่ใช่งานที่รวดเร็ว และจะใช้เวลาประมาณครึ่งชั่วโมงในการสร้างตาข่ายดักขนาดกลาง หากต้องการเปลี่ยนไปใช้การผลิตใยประเภทอื่น (สำหรับเกลียวจับ) แมงมุมต้องใช้เวลาพักหนึ่งนาที แมงมุมมักจะนำใยกลับมาใช้ใหม่โดยกินใยที่เหลือซึ่งได้รับความเสียหายจากฝน ลม หรือแมลง เส้นใยถูกย่อยในร่างกายด้วยเอนไซม์พิเศษ

โครงสร้างของใยแมงมุมได้รับการพัฒนาอย่างสมบูรณ์แบบในช่วงวิวัฒนาการหลายร้อยล้านปี วัสดุธรรมชาตินี้รวมคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมสองประการเข้าด้วยกัน - ความแข็งแรงและความยืดหยุ่น ใยแมงมุมสามารถหยุดแมลงที่บินด้วยความเร็วสูงสุดได้ ด้ายที่แมงมุมใช้สานเป็นฐานของใยล่าสัตว์นั้นบางกว่าเส้นผมของมนุษย์ และค่าความต้านทานแรงดึงเฉพาะ (ซึ่งก็คือ คำนวณต่อหน่วยมวล) นั้นสูงกว่าเส้นใยเหล็ก หากเปรียบเทียบด้ายแมงมุมกับลวดเหล็กที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากัน ก็จะรับน้ำหนักได้ประมาณเดียวกัน แต่ใยแมงมุมนั้นเบากว่าถึงหกเท่าซึ่งหมายถึงแข็งแกร่งกว่าถึงหกเท่า

เช่นเดียวกับเส้นผมของมนุษย์ ขนแกะ และไหมจากรังไหม ใยแมงมุมประกอบด้วยโปรตีนเป็นหลัก ในแง่ขององค์ประกอบของกรดอะมิโน โปรตีนใยแมงมุม - สไปโดรอิน - ค่อนข้างใกล้เคียงกับไฟโบรอิน ซึ่งเป็นโปรตีนที่ประกอบเป็นเส้นไหมที่ผลิตโดยหนอนไหม ทั้งสองมีกรดอะมิโนอะลานีน (25%) และไกลซีน (ประมาณ 40%) ในปริมาณสูงผิดปกติ พื้นที่ของโมเลกุลโปรตีนที่อุดมไปด้วยอะลานีนก่อตัวเป็นบริเวณผลึกที่อัดแน่นเป็นรอยพับ ทำให้มีความแข็งแรงสูง และบริเวณที่มีไกลซีนมากกว่าจะเป็นวัสดุอสัณฐานมากขึ้น ซึ่งสามารถยืดออกได้ดี และด้วยเหตุนี้จึงให้ความยืดหยุ่นแก่เส้นด้าย

ด้ายดังกล่าวเกิดขึ้นได้อย่างไร? ยังไม่มีคำตอบที่สมบูรณ์และชัดเจนสำหรับคำถามนี้ กระบวนการหมุนแผ่นใยได้รับการศึกษาในรายละเอียดส่วนใหญ่โดยใช้ตัวอย่างของต่อม ampullaid ของแมงมุม Nephila clavipes ที่ทอลูกกลม ต่อม ampullaid ซึ่งผลิตเส้นไหมที่แข็งแรงที่สุดประกอบด้วยสามส่วนหลัก: ถุงกลาง คลองโค้งยาวมาก และท่อที่มีทางออก จากเซลล์สู่ พื้นผิวด้านในหยดทรงกลมขนาดเล็กที่มีโมเลกุลโปรตีนสไปดรอยสองประเภทโผล่ออกมาจากถุง สารละลายที่มีความหนืดนี้ไหลลงสู่ส่วนท้ายของถุงโดยที่เซลล์อื่นจะหลั่งโปรตีนประเภทอื่น - ไกลโคโปรตีน ต้องขอบคุณไกลโคโปรตีนทำให้เส้นใยที่ได้มีโครงสร้างผลึกเหลว ผลึกเหลวมีความโดดเด่นในแง่หนึ่ง ผลึกเหลวมีความเป็นระเบียบสูง และอีกด้านหนึ่ง ผลึกเหลวยังคงความลื่นไหลไว้ เมื่อมวลหนาเคลื่อนไปทางทางออก โมเลกุลโปรตีนยาวจะถูกวางตัวและจัดเรียงขนานกันในทิศทางของแกนของเส้นใยที่ขึ้นรูป ในกรณีนี้จะเกิดพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลขึ้นระหว่างกัน

มนุษยชาติได้คัดลอกการค้นพบการออกแบบของธรรมชาติมามากมาย แต่กระบวนการที่ซับซ้อนเช่นการปั่นใยยังไม่ได้รับการทำซ้ำ ขณะนี้นักวิทยาศาสตร์กำลังพยายามแก้ไขปัญหาที่ยากลำบากนี้โดยใช้เทคนิคทางเทคโนโลยีชีวภาพ ขั้นตอนแรกคือการแยกยีนที่รับผิดชอบในการผลิตโปรตีนที่ประกอบเป็นใย ยีนเหล่านี้ถูกนำเข้าสู่เซลล์ของแบคทีเรียและยีสต์ (ดู "วิทยาศาสตร์และชีวิต" ฉบับที่ 2, 2001) นักพันธุศาสตร์ชาวแคนาดาก้าวไปไกลกว่านั้น - พวกเขาเพาะพันธุ์แพะดัดแปลงพันธุกรรมซึ่งมีนมที่มีโปรตีนใยแมงมุมละลายอยู่ แต่ปัญหาไม่ใช่แค่การได้รับโปรตีนใยแมงมุมเท่านั้น แต่ยังจำเป็นต้องจำลองกระบวนการปั่นตามธรรมชาติอีกด้วย แต่นักวิทยาศาสตร์ยังไม่ได้เรียนรู้บทเรียนนี้จากธรรมชาติ