3. Застосування павутини в промисловості
Німецькі вчені змогли перетворити й без того міцну павутину в справжню супернитку, що у багато разів міцніша, і при цьому чудово розтягується. Вчені розмочили павукову нитку та ввели в неї атоми металів, які «склеїли» окремі білки павутини.
За легендою, у Людовіка XIV і Наполеона були рукавички, виготовлені з павутини, а старіючій британській королеві Вікторії китайське посольство піднесло цілу мантію з такого матеріалу. Важко сказати, наскільки цим твердженням можна вірити, і яку частку в цих тканинах на ділі становила павукова нитка, але доля істини у всьому цьому є. За відповідних умовах павутинка може витримати натяг, у кілька разів більший, ніж максимальний натяг сталевої нитки того ж діаметра, будучи при цьому у кілька разів легше. Наприклад, павутинка товщиною в 1 мм повинна, по ідеї, може втримати людину; як тут не порадіти, що павуки не плетуть такої павутини.
Про специфічні умови, наявність більш міцних сортів стали і ту обставина, що павутинка при цьому розтягнеться на 20-30%, при такому порівнянні звичайно не згадують. І все ж еластичність, міцність і легкість павутини змушують багатьох інженерів мріяти про створення подібного їй синтетичного матеріалу - або хоча б навчитися виробляти натуральну павутину в промислових масштабах. Більше того, такі досліди є: виведені кози, у ДНК яких є гени павукової павутини, а в молоці опиняється велика кількість таких білків - правда, не у сплетеній в нитку формі.
Група німецьких фізиків і хіміків під керівництвом Лі Син Мо з Інституту фізики мікроструктур імені Макса Планка показала, що павутину можна зробити ще міцнішою та еластичнішою.
Особлива обробка перетворює натуральну павутину в супернитку, що міцніша в 5 разів і розтягується втричі краще.
Супернитка товщиною в 1 мм зможе витримати вже з півтонни, вона розтягується в півтора-два рази та має майже ту ж щільність. Технологія такої обробки описана в статті, опублікованій в останньому номері Science.
Вчені спробували отримати чергове підтвердження гіпотезі, що свою силу особливо міцні біологічні матеріали - зубна емаль, клішні, елементи скелету, жала деяких організмів - черпають із порівняно невеликих неорганічних включень у білковій матриці. Замість того, щоб будувати нескінченні графіки кореляції параметрів міцності з кількістю металу в білку, Лі Син Мо і його колеги вирішили прямо порівняти, як буде відрізнятися павукова нитка, у якій мало металу, від павукової нитки, у якій його багато.
Павутинку вчені добули за допомогою павука роду Araneus, намотуючи її на мідну скріпку. Аранеуси - близькі родичі знайомого нам усім павука-хрестовика, у їхнє число входить і він сам. Який вид аранеусів використовувався, не уточнюється, але оскільки спіймали його фізики прямо у дворі свого інституту в Галлі, в центрі Європи, навряд чи це був екзотичний екземпляр.
Отримані від павука нитки експериментатори помістили у вакуумну камеру. Тут їх висушили та піддали багаторазовим циклам осадження на поверхню павутинок металевих сполук, що перемежовувалися витримуванням у парах води.
Спочатку як така сполука використовувався диетилцинк Zn(C2H5)2, оскільки цинк гарантовано працює «підсилювачем міцності» хоча б в одного виду – він відповідає за надзвичайну міцність зубів багатощетинкових хробаків нереїд, які легко гризуть коралові скелети. Потім до цинку додали алюміній у формі триметилалюмінію Al(CH3)3 і відомий своєю міцністю титан (IV) у формі Ti(OCH(CH3)2)4.
Після кількох сотень таких циклів (кожен тривалістю 1-2 хвилини) на поверхні павутинки залишалася тонка плівка оксиду - цинку, алюмінію або титану відповідно. І механічні показники - що вихідний модуль Юнга, що межа міцності, - різко збільшувалися. Краще всіх себе показав титан, і в цілому, чим більше циклів метал/вода було, тим краще був результат.
Можна було б подумати, звичайно, що зайву силу павутині дало зовнішнє покриття, однак це не так. За покращання міцності та еластичності відповідають атоми металу, що проникли в білкову структуру самої павутини.
Саме по собі оксидне покриття великого виграшу не давало (наприклад, воно не розтягується навіть на 1%), та й від товщини його шарую механічні характеристики залежали слабо. А ось зафіксувати сліди титану всередині самої нитки вченим вдалося за допомогою спектрометрії та електронного мікроскопу.
Як виявилося, важливим був і сам процес введення металу в білок - навіть повноцінне вимочування ниток протягом 10 годин у диетилцинку і йому подібним не давало результату, хоч трохи порівнянного з багаторазовими циклами осадження металу й води.
Лі Син Мо і його колеги думають, що атоми металів допомагають «склеювати» окремі білкові молекули, з яких складається павукова нитка. У натуральній павутині цю роботу виконують слабкі водневі зв'язки між атомами на кінцях паралельних одна одній молекул; саме велика кількість таких взаємозамінних зв'язків і дає павутині її силу.
В «металізованій» павутині замість слабких водневих встановлюються сильні ковалентні зв'язки, думають німецькі вчені, що й надає додаткову міцність.
Роль водяної пари в цьому процесі - «розмочити» білкові структури, щоб атоми металу могли проникнути усередину. Як визнають вчені, міркування про ковалентні зв'язки - лише гіпотеза, для перевірки якої буде потрібно ще чимало експериментів.
Висновок
Важко повірити, але саме павука-хрестовика (Araneus diadematus) у нас плутають з підступним каракуртом частіше за інших. Павук-хрестовик - справжній друг людини: «Коли полювання особливо вдале, деякі павуки з роду аранеус (і серед них наш звичайний хрестовик) ловлять в своїх тенетах по п’ятсот комах за добу. Мухи в цьому улові переважають. На тілі однієї мухи налічується 26 мільйонів мікробів, від яких люди хворіють на туберкульоз, сибірську виразку, холеру, дизентерію, «різних глистів» . По хворобливості укус хрестовика нагадує укол шпильки і ніяких наслідків не викликає.
У кожного павука своя “технологія виробництва” павутини. Павук-хрестовик завжди починає з будівництва трикутної або чотирикутної рами – основи майбутньої пастки. Після цього прокладає кілька ниток, що перетинаються в центрі рами, а потім тягне від центра близько 30 радіальних ниток. На них він кладе допоміжну спіральну нитку, ніби риштування для остаточної ловильної спіралі з великою кількістю витків. Ловильна спіраль покривається липким павутинним секретом і замінює допоміжну нитку, яку павук відкушує частинами й викидає.
Дуже цікаво спостерігати, як хрестовик з'єднує павутиною дві точки. Коли відстань невелика, павук кидає в ціль клейкий клубочок з ниткою, кінець якої тримає, або переповзає туди, тягнучи за собою закріплену в першому пункті нитку. Інколи він спускається по довгій нитці й, гойдаючись під вітром, чіпляється де потрібно. А буває, що випускає кілька павутин і спокійно чекає, поки вітер їх не приклеїть.
Готові сіті, що нагадують неправильної форми колесо із спицями діаметром до 0,5 м, мають близько 120 тис. липких вузликів. Хрестовик або висить у центрі павутини, або ховається десь збоку, і тоді його з'єднує з пасткою сигнальна нитка. Як тільки комаха потрапляє в пастку, “телефон” негайно повідомляє мисливця. Павук реагує лише на коливання певної сили і амплітуди, які виникають від тремтіння в павутині його звичайних жертв. Павуки тчуть свої сіті не тільки швидко, але й різної якості, залежно від призначення. З двох пар залоз вони випускають “бігові нитки”, по яких пересуваються з місця на місце, з п'яти – клейкі нитки для ловіння комах, з трьох – нитки найвищої міцності для зв'язування жертви, з шести – нитки для кокoнів, з двох – “осьові нитки”, з двох особливо великих залоз – клейку речовину, яка у вигляді крапельок блищить у сонячний день на павутині і приваблює комах.
Товщина павутинок від 0,08 до 1 мк. Є павуки, які виробляють стрічкову павутину: ширина її 2,5 мк, а товщина – 0,4 мк. Діаметр найтоншого волокна, яке пощастило дістати людині в лабораторії, лише 5 мк. Павуків недаремно називають неперевершеними ткачами.
Внутрішній стан павука дуже часто відображається на плетенні павутини. Якщо він починає плести під час дощу, значить скоро буде ясна погода. Якщо павутина плететься в південному напрямку – необхідно чекати підвищення температури, а якщо у північному – буде похолодання. Коли павук зменшує розміри павутини або розриває основні її нитки – буде вітряно.
Властивість павуків змінювати узор павутини в залежності від зовнішніх подразників давно намагались примінити в медицині. Виявляється, якщо на павука подіяти лікарським засобом, закономірність плетення павутини порушується. Було встановлено:
- хлоралгідрат викликає оціпеніння павука і він перестає плести павутину;
- під впливом кофеїну у павуків виникає, щось подібне неврозу, і він плете невпорядкований малюнок.
- лізергінова кислота та її похідні стимулюють активність і павук покращує якість павутини.
Вчені з'ясували, що узор павутини також змінюється, якщо на павука крапнути краплю крові отруєної людини. Тобто, за формою павутини можна поставити діагноз і своєчасно почати лікувати хворобу. Існує, навіть, атлас, в якому зображено малюнки павутини, збудованої павуком-хрестовиком під впливом різноманітних отруйних речовин.
Павуки живляться лише рідкою їжею, тому для полювання вони використовують отруту, яка паралізує нервову систему комах. Вбивши жертву, павук вводить їй всередину краплину слини. Вона містить травні ферменти, які перетравлюють комаху, після чого павук висмоктує схожу на суп речовину. У нього навіть є особливий орган – смоктальний шлунок, який працює як насос і дозволяє буквально витягнути із жертви всі соки.
Отрута деяких павуків є небезпечною для людини, однак реальну загрозу для нас становлять 3% від загальної їх кількості.
У бразильських бродячих павуків найсильніша отрута серед усіх родичів. Вони поселяються по сусідству з людиною і часто проникають у будинки, ховаючись в одязі чи взутті. Потривожений павук відповідає негайним укусом, спорскуючи жертві вільний нейротоксин. Один такий укус здатний вбити людину, але, на щастя, від нього є протиотрута.
Павуки „чорні вдови” виробляють нейротоксин, що викликає у людини сильний біль, м’язові судоми і навіть параліч. Їх укуси дуже небезпечні, і хоча уже давно створена протиотрута, що дозволяє за декілька днів видужати, люди гинуть від них до цього часу. На людину „чорні вдови” нападають тільки тоді, коли їх налякати чи роздратувати.
Гемолітична отрута південноамериканського павука-скрипача діє на кров та шкіру людини і на одужання може знадобитись кілька місяців. Між іншим, гемолітичні отрути павуків успішно застосовуються в медицині для руйнування судинних тромбів, що здатні призвести до інфаркту.
На кінці черевця павука розміщені павутинні бородавки. Речовина, що виходить з них, на повітрі перетворюється в нитки незвичайної міцності. Міцність павутини на розрив – до 260 кг на квадратний міліметр. Павутинна нитка – це справжнє технологічне чудо. В ній сплетені кілька твердих та еластичних ниточок.
Багато таємниць приносять у життя павуки – ці численні й всюдисущі створіння, що іноді псують нам настрій. Та не будемо керуватися своїми безпідставними антипатіями. Врахуймо, що павуки – дуже древні істоти, і з вивченням їх людина дістає чимало відповідей на питання, пов’язані з розвитком життя на нашій планеті.
Список використаних джерел
1. Догель В.А. Зоология беспозвоночных. - М.: Высшая школа, 1981.
2. Шарова И.Х. Зоология беспозвоночных. – М.: Владис, 1999.
3. Фролова Е.Н., Щербина Т.В., Михина Т.Н. Практикум по зоологии беспозвоночных. - М.: Просвещение, 1985.
4. Щербак Г.Й., Царичкова Д.Б., Вервес Ю.Г. Зоологія безхребетних. — К.: -Либідь, 1996. — Кн. 2. — С. 291—298.
5. http://commons.wiki.bks-tv.ru/wiki/Araneus_diadematus
6. http://ru.wikipedia.org/wiki/Крестовик
7. http://infonova.org.ua/science/vcheni-vyhotovyly-tytanovu-pavutynu-u-5-raziv-mitsnishu-za-naturalnu.html
8. http://www.naturalist.if.ua/?p=68
9. http://www.naturalist.if.ua/?p=27
10. http://jivotnie.org.ua/archives/256
11. http://www.zookrug.net/blog/geek/177
12. http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/151/
13. http://www.spidersilk.ru/
0 комментариев