Самая прочная паутина: Раскрыт секрет паука, плетущего самую прочную паутину в мире — Поиск

Содержание

Этот паук плетет самую прочную паутину. В чем его секрет?

Паутина, пожалуй, является одним из самых удивительных материалов на нашей планете. Только вдумайтесь — у некоторых видов пауков она прочнее стали, способна сильно растягиваться и обладает антибактериальными свойствами. Не удивительно, что ученые со всего мира пытаются как можно подробнее изучить ее строение, чтобы изготавливать надежные бронежилеты и использовать ее для создания роботов. Самую прочную в мире паутину плетет так называемый дарвиновский паук (Caerostris darwini) и ученым до сих пор не было понятно, каким именно образом он создает такой удивительный материал. Эта тайна, наконец-то, раскрыта.

Ученые уже давно заметили, что паутина дарвиновских пауков в два раза прочнее паутины других видов членистоногих. Ее прочность особенно заметна при попытке порвать нити — в процессе они сильно растягиваются и если длина паутины в состоянии покоя была равна двум метрам, то при растяжении она увеличивается до четырех метров. Было ясно, что в составе паутины дарвиновских пауков есть какой-то дополнительный элемент, но какой именно, до сих пор было неизвестно.

Маленький паук

Сначала стоит рассказать о самом дарвиновском пауке. Этот вид был открыт в 2001 году в Мадагаскаре, но подробным научным описанием обзавелся только в 2009 году. Так получилось, что момент официального признания паука новым видом совпал со 150-летием со дня первой публикации книги «Происхождение видов», в котором английский натуралист Чарлз Дарвин рассказал свою теорию эволюции. Именно поэтому новый вид пауков был назван «дарвиновским».

Дарвиновский паук (Caerostris darwini)

Сами по себе эти пауки очень маленькие — длина самок достигает 18 миллиметров, а длина тела самцов равна примерно 6 миллиметрам. Обычно они плетут паутину над реками и в итоге у них получается липкая и прочная сеть для ловли насекомых. Диаметр такой сетки порой составляет 2,8 метра, причем длина одной нити может достигать 25 метров.

Кстати, некоторые виды пауков убивают даже крупных животных.

Самый прочный материал

Чтобы узнать, что именно придает паутине дарвиновских пауков такую прочность, ученые извлекли из их тел клетки, которые отвечают за ее выработку. Так как паутина по своей сути является белковым волокном, в ее составе, как не удивительно, были найдены белки под названиями MaSp1 и MaSp2. Они есть в составе паутины практически всех пауков, однако в нитях дарвиновских созданий был обнаружен еще один, дополнительный белок MaSp4. В нем содержится много так называемого пролина, который отвечает за способность материалов растягиваться — это и есть одна из причин прочности паутины.

Прочная паутина дарвиновского паука

Помимо этого, ученые нашли еще одну особенность дарвиновских пауков, позволяющих им плести такой прочный материал. В отличие от других видов пауков, они обладают более длинными прядильными органами, которые позволяют белковым волокнам соединяться друг с другом прочнее и ровнее. Благодаря упорядоченной и плотной структуре, такая паутина получается максимально прочной и не теряет свою гибкость.

Паучий шелк

Теперь, раскрыв секрет прочной паутины, ученые смогут создать синтетический паучий шелк, пригодный для использования в бронежилетах и медицинском оборудовании. Примечательно, что паучий шелк был открыт еще в древнем Китае и на данный момент цена одного квадратного метра этого материала стоит более 500 000 долларов. Новое открытие не только снизит стоимость паучьего шелка, но и придаст ему дополнительную прочность.

Вот еще кое-что интересное: Осы превращают пауков в «зомби» при помощи стероидного гормона

Если вам интересны новости науки и технологий, подпишитесь на наш канал в Яндекс.Дзен. Там вы найдете материалы, которые не были опубликованы на нашем сайте.

БиологияЖивотные ЗемлиЗагадки природыНасекомые Земли

Для отправки комментария вы должны или

Веревка из паутины

Дмитрий Багров
«Квант» №4, 2010

Каждый может легко смахнуть паутину, висящую между ветками дерева или под потолком в дальнем углу комнаты. Но мало кто знает, что если бы паутина имела диаметр 1 мм, то она могла бы выдержать груз массой приблизительно 200 кг. Стальная проволока того же диаметра выдерживает существенно меньше: 30–100 кг, в зависимости от типа стали. Почему же паутина обладает такими исключительными свойствами?

Некоторые пауки прядут до семи типов нитей, каждая из которых имеет собственное назначение. Нити могут использоваться не только для ловли добычи, но и для строительства коконов и парашютирования (взлетая на ветру, пауки могут уходить от внезапной угрозы, а молодые пауки таким способом расселяются на новые территории). Каждый из типов паутины производится специальными железами.

Паутина, используемая для ловли добычи, состоит из нескольких типов нитей (рис. 1): каркасной, радиальной, ловчей и вспомогательной. Наибольший интерес ученых вызывает каркасная нить: она имеет одновременно высокую прочность и высокую эластичность — именно это сочетание свойств является уникальным. Предельное напряжение на разрыв каркасной нити паука Araneus diadematus составляет 1,1–2,7. Для сравнения: предел прочности стали 0,4–1,5 ГПа, человеческого волоса — 0,25 ГПа. В то же время каркасная нить способна растягиваться на 30–35%, а большинство металлов выдерживают деформацию не более 10–20%.

Представим себе летящее насекомое, которое ударяется в натянутую паутину. При этом нить паутины должна растянуться так, чтобы кинетическая энергия летящего насекомого превратилась в тепло. Если бы паутина запасала полученную энергию в виде энергии упругой деформации, то насекомое отскочило бы от паутины, как от батута. Важное свойство паутины состоит в том, что она выделяет очень большое количество теплоты при быстром растяжении и последующем сокращении: энергия, выделяемая в единице объема, составляет более 150 МДж/м³ (сталь выделяет — 6 МДж/м³). Это позволяет паутине эффективно рассеивать энергию удара и не слишком сильно растягиваться, когда в нее попадает жертва. Паутина или полимеры, обладающие аналогичными свойствами, могли бы стать идеальными материалами для легких бронежилетов.

В народной медицине есть такой рецепт: на рану или ссадину, чтобы остановить кровь, можно приложить паутину, аккуратно очистив ее от застрявших в ней насекомых и мелких веточек. Оказывается, паутина обладает кровеостанавливающим действием и ускоряет заживление поврежденной кожи. Хирурги и трансплантологи могли бы использовать ее в качестве материала для наложения швов, укрепления имплантантов и даже как заготовки для искусственных органов. С помощью паутины можно существенно улучшить механические свойства множества материалов, которые в настоящее время применяются в медицине.

Итак, паутина — необычный и очень перспективный материал. Какие же молекулярные механизмы отвечают за ее исключительные свойства?

Мы привыкли к тому, что молекулы — чрезвычайно маленькие объекты. Однако это не всегда так: вокруг нас широко распространены полимеры, которые имеют длинные молекулы, состоящие из одинаковых или похожих друг на друга звеньев. Все знают, что генетическая информация живого организма записана в длинных молекулах ДНК. Все держали в руках полиэтиленовые пакеты, состоящие из длинных переплетенных молекул полиэтилена. Молекулы полимеров могут достигать огромных размеров.

Например, масса одной молекулы ДНК человека порядка 1,9·10¹² а.е.м. (однако это приблизительно в сто миллиардов раз больше, чем масса молекулы воды), длина каждой молекулы составляет несколько сантиметров, а общая длина всех молекул ДНК человека достигает 10¹¹ км.

Важнейшим классом природных полимеров являются белки, они состоят из звеньев, которые называются аминокислотами. Разные белки выполняют в живых организмах чрезвычайно разные функции: управляют химическими реакциями, используются в качестве строительного материала, для защиты и т. д.

Каркасная нить паутины состоит из двух белков, которые получили названия спидроинов 1 и 2 (от английского spider — паук). Спидроины — это длинные молекулы с массой от 120000 до 720000 а.е.м. У разных пауков аминокислотные последовательности спидроинов могут отличаться друг от друга, но все спидроины имеют общие черты. Если мысленно вытянуть длинную молекулу спидроина в прямую линию и посмотреть на последовательность аминокислот, то окажется, что она состоит из повторяющихся участков, похожих друг на друга (рис. 2). В молекуле чередуются два типа участков: относительно гидрофильные (те, которым энергетически выгодно контактировать с молекулами воды) и относительно гидрофобные (те, которые избегают контакта с водой). На концах каждой молекулы присутствуют два неповторяющихся гидрофильных участка, а гидрофобные участки состоят из множества повторов аминокислоты, называемой аланином.

Длинная молекула (например, белок, ДНК, синтетический полимер) может быть представлена как скомканная запутанная веревка. Растянуть ее не составляет труда, потому что петли внутри молекулы могут расправляться, требуя сравнительно небольшого усилия. Некоторые полимеры (например, резина) могут растягиваться на 500% своей начальной длины. Так что способность паутины (материала, состоящего из длинных молекул) деформироваться больше, чем металлы, не вызывает удивления.

Откуда же берется прочность паутины?

Чтобы понять это, важно проследить за процессом формирования нити. Внутри железы паука спидроины накапливаются в виде концентрированного раствора. Когда происходит формирование нити, этот раствор выходит из железы по узкому каналу, это способствует вытягиванию молекул и ориентации их вдоль направления вытяжки, а соответствующие химические изменения вызывают слипание молекул. Фрагменты молекул, состоящие из аланинов, соединяются вместе и образуют упорядоченную структуру, похожую на кристалл (рис. 3). Внутри такой структуры фрагменты уложены параллельно друг другу и сцеплены между собой водородными связями. Именно эти участки, сцепленные между собой, и обеспечивают прочность волокна. Типичный размер таких плотно упакованных участков молекул составляет несколько нанометров. Расположенные вокруг них гидрофильные участки оказываются неупорядоченно свернутыми, похожими на скомканные веревки, они могут расправляться и этим обеспечивать растяжение паутины.

Многие композиционные материалы, например армированные пластмассы, устроены по тому же принципу, что и каркасная нить: в относительно мягком и подвижном матриксе, который дает возможность деформации, находятся малые по размерам твердые области, которые делают материал прочным. Хотя материаловеды давно работают с подобными системами, созданные человеком композиты только начинают приближаться к паутине по своим свойствам.

Любопытно, что, когда паутина намокает, она сильно сокращается (это явление получило название суперконтракции). Это происходит потому, что молекулы воды проникают в волокно и делают неупорядоченные гидрофильные участки более подвижными. Если паутина растянулась и провисла от попадания насекомых, то во влажный или дождливый день она сокращается и при этом восстанавливает свою форму.

Отметим также интересную особенность формирования нити. Паук вытягивает паутину под действием собственного веса, но полученная паутина (диаметр нити приблизительно 1–10 мкм) обычно позволяет выдержать массу, в шесть раз большую массы самого паука. Если же увеличить вес паука, вращая его в центрифуге, он начинает выделять более толстую и более прочную, но менее жесткую паутину.

Когда заходит речь о применении паутины, возникает вопрос о том, как ее получать в промышленных количествах. В мире существуют установки для «доения» пауков, которые вытягивают нити и наматывают их на специальные катушки. Однако такой способ неэффективен: чтобы накопить 500 г паутины, необходимо 27 тысяч средних пауков. И тут на помощь исследователям приходит биоинженерия. Современные технологии позволяют внедрить гены, кодирующие белки паутины, в различные живые организмы, например в бактерии или дрожжи. Эти генетически модифицированные организмы становятся источниками искусственной паутины. Белки, полученные методами генной инженерии, называются рекомбинантными. Отметим, что обычно рекомбинантные спидроины гораздо меньше природных, но структура молекулы (чередование гидрофильных и гидрофобных участков) остается неизменной.

Есть уверенность, что искусственная паутина по своим свойствам не будет уступать природной и найдет свое практическое применение как прочный и экологически чистый материал. В России исследованиями свойств паутины совместно занимаются несколько научных групп из различных институтов. Получение рекомбинантной паутины осуществляют в Государственном научно-исследовательском институте генетики и селекции промышленных микроорганизмов, физические и химические свойства белков исследуют на кафедре биоинженерии биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, изделия из белков паутины формируют в Институте биоорганической химии РАН, их медицинскими применениями занимаются в Институте трансплантологии и искусственных органов.

Itsy Bitsy Паутина в 10 раз прочнее кевлара

Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот как это работает.

Паутина паука Дарвина (Caerostris darwini) может охватывать несколько квадратных футов (2,8 квадратных метра) и прикреплена к каждому берегу реки якорными нитями длиной до 82 футов (25 метров). (Изображение предоставлено Матьязом Кантнером.

)

Ученые нашли самый прочный материал, созданный живыми существами — шелк паука, чья гигантская паутина опутывает реки, ручьи и даже озера.

Шелк паука уже был самым прочным из известных биоматериалов, способных поглощать огромное количество энергии, прежде чем сломаться. Однако теперь исследователи обнаружили, что паук Дарвина ( Caerostris darwini ) обладает самым прочным шелком из когда-либо виденных — более чем в два раза прочнее любого ранее описанного шелка и более чем в 10 раз прочнее кевлара.

Биолог-эволюционист Инги Агнарссон, директор музея зоологии Университета Пуэрто-Рико, и его коллеги обнаружили паука в национальном парке Раномафана на Мадагаскаре в 2001 году. «Наша первая реакция была просто «Вау!», — сказал он.

Паутина в форме колеса может иметь размеры до 30 квадратных футов (2,8 квадратных метра), одни из самых больших в природе, и свисать над ручьями, реками и небольшими озерами до 82 футов (25 метров) в поперечнике.

«Добраться до этих паутин, когда они находятся над большими водоемами, может быть непросто», — сказал Агнарссон. «Нам часто не хватало лодки в полевых условиях, которой нет в обычном списке оборудования для полевых работ с пауками». [Посмотрите на гигантскую паутину.]

Эта гигантская паутина позволяет паукам ловить ничего не подозревающих поденок, стрекоз, пчел и стрекоз, летающих над водой. До сих пор нет доказательств того, что эти паутины могут ловить более крупную добычу — «птица или летучая мышь были бы такой невероятно большой едой, что пауку, возможно, потребуется поймать их только один или два раза за свою жизнь, редкое событие, которое мы бы быть действительно удачливым наблюдать», — сказал LiveScience исследователь Тодд Блэкледж, биолог-эволюционист из Университета Акрона в Огайо. (Самки имеют длину тела около 1 дюйма, или 2 сантиметра, в то время как самцы намного меньше, около четверти дюйма, или 6 миллиметров, в длину тела.)

Хотя ученые ранее исследовали шелка 20-30 видов пауков, большинство из них были выбраны случайно — например, на заднем дворе исследователей. Агнарссон и его коллеги проанализировали шелк этого новообретенного паука, решив, что он окажется особенно прочным, учитывая длину, на которую он может растягиваться.

Исследователи собрали несколько взрослых самок пауков Дарвина, вырастили их в теплицах и изучили шелк через 24 часа после его прядения. Шелковые нити были прикреплены к крючкам в оборудовании, которое медленно растягивало волокна, и ученые измерили, какое напряжение могут выдержать нити, прежде чем они порвутся. Ключом к его необычайной прочности, по-видимому, является его эластичность — шелк примерно в два раза эластичнее, чем шелк других пауков, плетущих паутину.

Это открытие «открывает новые технологические области применения паучьего шелка, которые извлекают выгоду из действительно впечатляющего сочетания легкого веса и высокой производительности шелка C. darwini », — сказал Блэкледж. Либо эти пауки используют новый тип белка для прядения своего шелка, либо они развили новый механизм самого прядения. Он объяснил, что лучшее знание любого из них может помочь в разработке искусственного шелка, который имитирует прочность натурального шелка.

Исследователи отметили, что многие экстраординарные паучьи шелка ждут своего открытия.

«Существует более 40 000 видов пауков, и каждый паук может производить до семи различных видов шелка. Таким образом, более 99,99% паучьего шелка еще не исследованы», — сказал Игнарссон. «Не было бы неожиданностью обнаружить новые характеристики среди всех этих неисследованных паучьих шелков».

Ученые подробно рассказали о своих выводах онлайн 15 сентября в Journal of Arachnology и 16 сентября в журнале PLoS ONE.

Чарльз К. Чой — автор статей для Live Science и Space.com. Он охватывает все, что связано с человеческим происхождением и астрономией, а также физику, животных и общие научные темы. Чарльз имеет степень магистра гуманитарных наук Университета Миссури-Колумбия, Школу журналистики и степень бакалавра гуманитарных наук Университета Южной Флориды. Чарльз побывал на всех континентах Земли, пил прогорклый чай с маслом яка в Лхасе, плавал с морскими львами на Галапагосских островах и даже взбирался на айсберг в Антарктиде.

Самая большая и прочная паутина в мире Найдено

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

1 / 8

Речная паутина затмевает смотрителя парка в Мадагаскар в 2008 году. Паутина, сделанная из самого прочного известного в мире биологического материала, является продуктом нового вида, паука Дарвина, который плетет самую большую в мире паутину из любых одиночных Новые исследования говорят о пауках.

Зоолог Инги Агнарссон и его коллеги обнаружили, что паутина Дарвина достигает 25 метров в ширину, что примерно равно длине двух городских автобусов.

В национальном парке Андасибе-Мантадия (на фото) «смотрители парка знали о них и, я думаю, какое-то время показывали их туристам», — сказал Агнарссон из Университет Пуэрто-Рико.

Но паук Дарвина и его рекордные сети были неизвестны науке, пока они не были задокументированы подкреплено командой, результаты которой опубликованы на этой неделе в Journal of Arachnology < /em>и PLoS ONE.

(См.: html»>»Найден крупнейший паук, плетущий паутину.»)

—Кер, чем

Речная паутина

Речная паутина затмевает смотрителя парка на Мадагаскаре в 2008 году. Изготовлена из самого прочного известного в мире биологического материала, паутина является продуктом нового вида, паука Дарвина. новые исследования говорят, что это самая большая в мире паутина среди всех пауков.0004 г. Зоолог Инги Агнарссон и ее коллеги обнаружили, что паутина Дарвина имеет ширину 25 метров, что примерно равно длине двух городских автобусов.

В национальном парке Андасибе-Мантадия (на фото) «смотрители парка знали о них, и я думаю, что они какое-то время показывали их туристам», — сказал Агнарссон из Университета Пуэрто-Рико.

Но паук Дарвина и его рекордные паутины были неизвестны науке до тех пор, пока они не были задокументированы командой, результаты которой опубликованы на этой неделе в Журнал Арахнологии и PLoS ONE.

(Связано с: «Найден крупнейший паук, плетущий паутину»).

Как увидеть зеленую комету, пролетающую мимо Земли сегодня вечером

Возьмите бинокль: в последний раз, когда эта недавно открытая комета находилась так близко к Солнцу, неандертальцы и мамонты ходили по земле.

Может ли наука помочь персонализировать вашу диету?

Наука

Может ли наука помочь персонализировать вашу диету?

Амбициозное и всеобъемлющее общенациональное исследование здоровья направлено на то, чтобы предсказать, какие диеты обеспечат наилучшее питание на основе генов, микробов и образа жизни.

Свиньи дичают в США и распространяют болезни

Животные

Свиньи дичают в США и распространяют болезни

Шесть миллионов диких свиней в стране уничтожают посевы и охотятся на исчезающие виды.