Зоология: биомеханизм | Публикации | Вокруг Света
Истории
Они вызывают страх и неприязнь. Но некоторыми из их способностей человек не только наделил вымышленного супергероя, но и активно пользуется в реальности. Ведь пауки, пожалуй, самые высокотехнологичные существа на планете.
1. Камера с зумом и панорамой
Передние глаза паука-скакунчика (Salticidae)
У большинства пауков глаза устроены просто: зачем острое зрение тому, кто проводит значительную часть времени, сидя на паутине? Однако есть виды, которые отказались от плетения сетей, обзавелись яркой окраской и сложным поведением. Так, пауки-скакунчики (Salticidae) всегда в движении: прыгают с травинки на травинку, высматривая добычу или партнера для спаривания. У них, как и у большинства других пауков, восемь глаз: два расположены по бокам, пара направлена назад, еще две — вперед. И если боковые и задние различают лишь свет, тень и резкие движения, помогая животному спасаться от врагов, то передние глаза, самые крупные, — это оптический прицел для охоты.
Основная пара глаз, которую также называют медиальной, отличается по строению от остальных. У «главных» глаз нет зеркальца — внутренней светоотражающей оболочки, зато есть мускульные пучки, двигающие сетчатку. Боковые же глаза, напротив, снабжены зеркальцем и лишены мышц. Основные глаза сильно вытянуты в длину, а в самой глубине «зрительной трубки» расположены светочувствительные клетки. Получается, что длиннофокусные глаза пауков-скакунчиков проецируют на сетчатку крупное изображение при малом поле зрения, примерно так же, как телеобъективы в фотокамерах. Мышцы двигают глаз внутри головы паука, и он сканирует окружающий мир, «склеивая» в панораму множество детальных снимков.
Скакунчики не только обладают объемным зрением, но и прекрасно различают цвета, в том числе близкие, например оранжевый и красный. В сетчатке их глаз, как и у человека, три вида светочувствительных клеток.
2. Суперклейкий скотч
Конечность паука с коготками и щетинками
Независимо от своего размера и массы пауки способны взбираться по абсолютно гладким вертикальным поверхностям, причем иногда с невероятной скоростью.
Пауки могут висеть на гладком стекле даже вниз головой, при этом вольны спрыгнуть в любой момент. Липучек, как у осьминогов, у них нет. Нога паука напоминает очень густую щетку. Каждый миллиметр поверхности покрывает множество ворсинок в десять раз тоньше человеческого волоса. На конце ворсинки расширяются подобно шпателю. В результате между конечностью паука и поверхностью возникают силы взаимодействия заряженных частиц на молекулярном уровне.
Исследования структуры этих ворсинок, а также аналогично устроенных лап у гекконов помогли ученым создать суперлипкую ленту, 20 сантиметров которой выдерживают вес взрослого человека. Одним из авторов изобретения был Андрей Гейм, лауреат Нобелевской премии и ученый, получивший графен.
3. Сверхпрочные волокна
Паутинные железы паука-кругопряда
Все пауки выделяют паутину — это секрет особых желез, состоящий из белка спидроина, богатого глицином, аланином и серином. Глицин дает паутине гибкость, а аланин и серин — прочность.
При контакте с воздухом жидкий секрет желез густеет и превращается в нить. По прочности она близка к нейлону, а по предельному напряжению сопоставима со сталью. На производство спидроина пауки тратят так много ресурсов, что зачастую сами съедают старые и поврежденные нити, чтобы использовать их повторно. Люди давно хотели получить аналогичные нити, и в 2011 году Малкольм Фрейзер и Дональд Джарвис заменили ген, отвечающий за производство «шелкового» белка у шелкопряда на аналогичный, принадлежащий одному из видов пауков, в результате чего получили очень прочную и эластичную нить Dragon silk , которую используют в создании бронежилетов. Хотя по соотношению прочности и легкости «драконьему шелку» до настоящей паутины, как до звезды.
АРАХНОЛОГИЯ
Сигнальные огни
Паукам не нужна слишком крупная добыча, поэтому многие из них наносят на свои сети узоры, стабилиментумы, отражающие УФ-лучи. В результате паутина становится заметной для птиц, а заодно и более привлекательной для насекомых-опылителей, подобно цветам, также отражающим ультрафиолет.
Паук-оса (Argiope bruennichi) наносит на паутину узор, похожий на пропеллер.
Argiope keyserlingi рисует на своих силках крест.
Cyclosa insulana помечает паутину ровной спиралью, за что и названа «движущейся по кругу» (от гр. κύκλος — «круг»).
Cyclosa turbinata , как и другие пауки из рода cyclosa , вкрапляет в паутину частицы подножного мусора в целях маскировки.
4. Каркасная архитектура
Паутина паука-кругопряда
Пауки используют паутину практически везде: как страховочную систему во время прыжков, для плетения коконов и, конечно же, ловчих сетей. Самые совершенные получаются у пауков-кругопрядов (Araneidae) . Они производят сразу несколько типов нитей. Основные — жесткие, подобно несущим опорам у зданий, они создают прочный каркас, на который по спирали паук прикрепляет тонкую липкую нить, основной ловчий инструмент.
Нити паутины обладают гидрофобностью, то есть отталкивают от себя капли воды.
Поэтому во время дождя паутина не намокает и остается легкой и прочной. Есть пауки, которые полностью перешли к подводному образу жизни. Например, паук-серебрянка (Argyroneta aquatica) строит из нитей подводный купол, также используя прочный каркас. Паук наполняет купол воздухом, принося пузырьки с поверхности на брюшке, покрытом пропитанными жирным веществом волосками. Конструкция служит подводным домом для серебрянки, где эти пауки поедают добычу и даже спариваются. Подобную купольную структуру архитекторы давно используют при строительстве крыш стадионов, концертных залов и других современных зданий, где требуются большие, легкие и прочные перекрытия.
5. Гидравлика
Конечность крупного паука Dolomedes
В 1795 году Джозеф Брама изобрел гидравлический пресс. Впоследствии технология гидравлики перешла во многие изобретения: от велосипедов до космических кораблей. Оказалось, что ноги паука устроены по тому же принципу. Отличительная особенность пауков — это восемь ходильных конечностей, причем у некоторых видов они бывают в несколько раз длиннее тела.
И если у насекомых мышцы отвечают за сгибание и разгибание ног, так же как у нас с вами, то конечности пауков устроены иначе. Мышцы внутри полых сегментов их ног прикрепляются чуть выше сгибов, поэтому за счет работы мускулов ноги могут только сгибаться. А вот чтобы разгибать свои конечности, причем с большой скоростью, пауки используют гидравлическую систему, единственные среди всех членистоногих. Чтобы разогнуть ногу, паук напрягает мышцы тела и поднимает давление гемолимфы — так называется «кровь» пауков — до 480 мм рт. ст. (для сравнения: нормальное кровяное давление человека — всего 130 мм рт. ст.). Чтобы ногу не разорвало от такого притока жидкости, между жесткими сегментами из хитина есть прочные эластичные мембраны, которые гасят излишнее давление.
Фото: SPL /LEGION-MEDIA (X6), NPL, DIOMEDIA, CHARLES J SHARP (SHARPPHOTOGRAPHY. CO. UK) (CC-BY-SA)
Материал опубликован в журнале «Вокруг света» № 7, июль 2019
Илья Гомыранов
Какие узлы использует паук, когда плетёт паутину?
Какие узлы использует паук, когда плетет паутину? Или он вообще не использует узлы?
При плетении паутины паук совсем не использует узлы.
Они ему не нужны: нити ловчей сети паук склеивает между собой особым типом паутины — соединительной.
Паутина — это секрет паутинных желёз; внутри железы паутина жидкая, но на воздухе она застывает в форме нитей. Эти нити состоят из белковых волокон и по строению напоминают нити тутового шелкопряда, из которых делают шелк. Сотни протоков желёз открываются в специальные выросты, расположенные на конце брюшка, — паутинные бородавки. Через эти выросты выделяются тончайшие нити, которые паук с помощью коготков на задних лапках склеивает в одну паутинную нить.
Основной компонент паутинной нити — белок фиброин. На воздухе он кристаллизуется, образуя волокна, которые и придают паутине прочность и эластичность. К примеру, паутинная нить в несколько раз прочнее человеческого волоса той же толщины.
Для соединения пересекающихся нитей и прикрепления нитей к субстрату, паук использует особую соединительную паутину. Из нее делается соединительный диск, состоящий из большого количества перепутанных тонких ниточек, погруженных в покрывающий каждую из них клейкий гель.
Соединительная паутина выделяется особым типом желез — грушевидными железами, многочисленные протоки которых открываются на передне-боковых паутинных бородавках. Помимо собственно нити, они выделяют водянистую клейкую массу (гель), покрывающую каждое волокно этого типа паутины.
Клейкостью обладает не только соединительная паутина, но и другие нити. Но клейкость их обеспечивается иным способом: за счет клейких капелек, выделяемых древовидными паутинными железами. Эти капельки маленькие и распределены по нити равномерно (на 1 мм паутины приходится до 20–30 тысяч капелек), так что увидеть их можно только в электронный микроскоп.
Клейкая капелька состоит из гликопротеинового ядра и водянистой оболочки из воды и пептидов. Клейкость капельки зависит от влажности воздуха: если очень сухо, часть воды может испариться, и капелька потеряет свои свойства. Это одна из причин, почему во влажном климате больше разнообразие пауков. Каждый вид паука приспособлен к определенному диапазону влажности.
Это достигается варьированием состава клейких капелек от вида к виду.
Помимо обеспечения клейкости капельки выполняют и другие функции. Например, у австралийского паука-аргиопы (Argiope keyserlingi) они могут служить приманкой для мух — его жертв. Клейкие капельки аргиопы содержат путресцин — вещество, выделяющееся при разложении трупов животных. Поэтому падальные мухи летят на его запах и попадаются в ловушку (см. Паутина паука-аргиопы привлекает насекомых запахом, «Элементы», 17.07.2017).
Итак, мы разобрались со свойствами паутинной нити. Посмотрим теперь, как устроена сама паутина. Основу паутины составляют несущие нити — обычно их три или четыре, — которые паук прилепляет обоими концами к субстрату (например, ветви дерева или стеблю травы) с помощью соединительных дисков. Иногда их поддерживают дополнительные якорные нити (см. рисунок ниже). К несущим нитям крепятся радиальные, сходящиеся к центру паутины — «ступице».
На радиальные нити паук наносит ловчую спираль.
Часто ловчая спираль немного не доходит до «ступицы», оставляя свободную зону, значение которой пока непонятно. В местах пересечения разных нитей находятся упомянутые выше соединительные диски, поддерживающие конструкцию.
Попадая в паутину, насекомые приклеиваются чаще всего к ловчей спирали. Но, конечно, не намертво: активно дергаясь, они могут отклеиться и улететь — так что пауку надо спешить. Узнав об улове, он сразу же бежит к жертве, кусает ее и затем, обездвиженную, опутывает своей паутиной. Секрет желёз, открывающихся в его челюсти-хелицеры, содержит яд, который парализует добычу. Кроме того, паук впрыскивает в жертву пищеварительные ферменты, которые расщепляют ее внутренности и превращают их в густой бульон. Этот частично переваренный суп паук потом всасывает. А чтобы вовремя заметить добычу, сети многих видов пауков имеют специальные сигнальные нити, которые ведут непосредственно к пауку, сидящему открыто в центре паутины или в укромном убежище на периферии. Когда попавшееся насекомое начинает биться, оно колеблет паутину — в том числе и сигнальные нити.
Так что разные нити паутины выполняют разные функции. Пауки могут производить до семи типов паутинных нитей, которые различаются по составу и свойствам и выделяются разными паутинными железами. Несущие нити паутины — самые крепкие. А вот нити ловчей спирали — самые липкие, потому что на них больше всего концентрация клейких капелек. Поэтому, например, к идущему по лесу человеку цепляются нити именно ловчей спирали. Кроме того, есть специальный тип нитей для обматывания жертвы, нити для формирования мягкого внутреннего слоя кокона для яиц и нити для прочного наружного слоя кокона. А также специальная соединительная паутина.
Но как же сам паук не приклеивается к своей паутине? Во время плетения паутины он касается клейких ловчих нитей только самыми кончиками ног, покрытыми многочисленными волосками, что уменьшает площадь контакта с клейкими каплями. Кроме того, ноги паука смазаны особым маслянистым веществом, препятствующим приклеиванию.
Ответил: Алексей Опаев
Рисунок Екатерины Волович
Из чего сделаны паутины и насколько они прочны? — Институт молекулярной биологии
Эндрю Уокер, Университет Квинсленда
Это статья из серии «Любопытные дети» для детей. Разговор просит детей присылать вопросы, на которые они хотели бы получить ответ от эксперта. Приветствуются любые вопросы – серьезные, странные или дурацкие!
Меня зовут Лео. Мне 5 лет и я живу в Сиднее. Мой вопрос: из чего сделаны паутины и насколько они прочны? – Лео, 5 лет, Сидней.
Паутина изготовлена из шелка. И шелк сделан из чего-то, что ученые называют «белками».
Белки — это особые химические вещества, вырабатываемые живыми существами, такими как животные или растения. В вашем теле их много. Белки обычно выполняют определенную работу.
Некоторые объединяются, чтобы сделать что-то большее. Ваши волосы и ногти состоят из белков (они оба состоят из белка под названием «кератин»).
Насекомые и пауки вырабатывают шелк в специальной части своего тела, называемой железой, и используют свои ноги, чтобы вытягивать его из тела. Это называется спиннинг.
Большинство видов пауков имеют несколько видов шелковых желез. Каждый из них имеет разную прочность и эластичность и используется для определенной цели, такой как каркас паутины, липкие нити или покрытие яиц. Прочность и эластичность шелка зависят от того, как тело паука упорядочивает белки шелка.
Пауки научились плести очень прочную шелковую паутину, чтобы ловить насекомых для еды. Это означает, что давным-давно пауки, которые плели более прочные сети, ловили больше насекомых и рожали больше детенышей, а пауки, которые плели более слабые сети, ловили меньше насекомых и рожали меньше детенышей.
После миллионов лет этого процесса некоторые пауки сегодня производят очень прочный шелк.
Обычно мы не замечаем, насколько сильными они могут быть, потому что они удивительно тонкие. Но самый прочный шелк, такой как шелк золотого кругового паука, на самом деле на прочнее стали . Что еще более удивительно, он примерно в 50 раз легче.
На самом деле паутина немного похожа на нечто среднее между сталью и резиной. Даже с помощью сложных машин и химикатов люди до сих пор не знают, как сделать материал таким прочным, эластичным и легким. Пауки по-прежнему чемпионы в этом.
Большинство людей знают, что шелк производят пауки и тутовые шелкопряды, но знаете ли вы, что существует более 20 различных групп животных, которые производят шелк?
К животным, производящим шелк, относятся сверчки, чешуйницы, светлячки, муравьи, пчелы, осы, мухи, гусеницы, златоглазки и личинки пилильщиков.
Некоторые из них делают шелк, чтобы защитить себя. Сверчки, например, используют шелк, чтобы сшить листья вместе, чтобы построить гнездо. Другие используют шелк для спаривания, например, танцевальные мухи, у которых самец впечатляет самку подарком в виде еды, завернутой в шелк.
Некоторые используют шелк для охоты, например, пауки и даже светлячки, которые используют липкий шелк, чтобы ловить летающих животных, которых они хотели бы съесть.
Ученые как никогда близки к созданию искусственного шелка. Например, доктор Тара Сазерленд из CSIRO Ecosystem Sciences может создавать белки пчелиного шелка с помощью бактерий, а затем скручивать их в твердые нити, подобные тем, которые делают пчелы.
Возможно, однажды, если вы станете ученым, вы сможете сделать что-то столь же прочное, легкое и особенное, как шелк паука.
Изображение вверху: шелк паука немного похож на нечто среднее между сталью и резиной. Май Лам/Разговор NY-BD-CC, CC BY-SA
Эндрю Уокер, научный сотрудник с докторской степенью, Университет Квинсленда
Первоначально эта статья была опубликована в The Conversation. Прочитайте оригинальную статью.
Помощь в исследованиях IMB
Дайте сейчас
Шелк паука
Шелк паука Шелк драглайна Золотого ткацкого станка
паук является наиболее изученным в научных исследованиях.
Шелк паука представляет собой
природный полипептид, полимерный белок и относится к группе склеропротеинов,
также включает коллаген (в связках) и кератин (в ногтях и волосах).
Все эти белки обеспечивают структуру. Белок в драглайне
шелк фиброин (М р 200 000-300 000)
который представляет собой комбинацию белков спидроина 1 и спидроина 2.
точный состав этих белков зависит от факторов, включая вид и
диета. Фиброин состоит примерно из 42% глицина и 25% аланина.
основные аминокислоты. Остальные компоненты представлены в основном глутамином, серином,
лейцин, валин, пролин, тирозин и аргинин. Спидроин 1 и спидроин 2
отличаются в основном содержанием в них пролина и тирозина.
Аланин Глицин
Структура спидроина
Спидроин
содержит полиаланиновые участки, в которых от 4 до 9 аланинов соединены вместе в
блокировать.
Эластичность паучьего шелка обусловлена богатыми глицином областями, где последовательность
пять аминокислот постоянно повторяются.
А 180
поворот (б-поворот)
происходит после каждой последовательности, в результате чего получается b-спираль.
Захватный шелк, самый эластичный вид, содержит в среднем около 43 повторов.
и способен продлить 2-4
раз (>200%)
его первоначальная длина, тогда как шелк драглайна повторяется всего около девяти раз и
способен растягиваться только примерно на 30% от своей первоначальной длины.
Встречаются также богатые глицином повторяющиеся сегменты, состоящие из трех
аминокислоты. Эти
поворачивайте после каждого повторения, чтобы получить плотную спираль и может действовать как переходный
структура между полиаланиновой и спиральной областями.
Структура из паутины
жидкий дурман представляет собой жидкокристаллический раствор, в котором молекулы белка могут двигаться
свободно, но некоторый порядок сохраняется в том смысле, что длинная ось молекул лежит
параллельно, что приводит к некоторым кристаллическим свойствам.
Считается, что молекулы спидроина скручены в палочки.
структуры в растворе, а затем разворачиваются, образуя шелк.
Картина по ссылке 2
Во время их прохождение через сужающиеся трубки к фильере белковых молекул выравниваются, и частичная кристаллизация происходит параллельно оси волокна. Это происходит за счет самосборки молекул полиаланина. области соединяются вместе посредством водородных связей, образуя складчатые b-листы (высокоупорядоченные кристаллические области). Эти b-листы действуют как поперечные связи между белковыми молекулами и придают высокую растяжимость сила на шелке.
Это не является простым совпадением то, что основными аминокислотами паучьего шелка являются аланин. и глицин. они самые маленькие две аминокислоты и не содержат громоздких боковых групп, поэтому способны упаковываться вместе плотно, что приводит к более легкому формированию кристаллических областей.
кристаллические области очень гидрофобны, что способствует потере воды во время
затвердевание паутины.