Веревка из паутины. Как и почему паук плетет свою паутину Свойства паутины пауков
«Если представить себе нить паутины толщиной с шариковую ручку, — говорит Сян У (Xiang Wu) из Национального Университета Сингапура, — прочности ее будет достаточно для того, чтобы остановить в полете огромный аэробус Boeing 747». Шелковой нити до такой прочности куда как далеко. Откуда же берется эта разница, ведь структурно и та, и другая практически идентичны?
Сян и его соавторы провели довольно интересное исследование, в рамках которого были созданы сложные компьютерные модели, симулирующие структуру и поведение и шелка, и паутины. И та, и другая являются полипептидами — полимерными цепями аминокислот, среди которых особенно часто встречаются простейшие — глицин и аланин . Однако множество проведенных ранее работ, в ходе которых ученые с помощью различных техник микроскопии и визуализации изучали структуру обоих материалов, показали, что последовательности, в которой чередуются у них эти аминокислоты, незначительно различаются. Впрочем, само по себе это различие объяснить разницу в свойствах неспособно.
Представителей отряда паукообразных можно встретить повсюду. Это хищники, которые охотятся на насекомых. Свою добычу они ловят с помощью паутины. Это гибкое и прочное волокно, к которому приклеиваются мухи, пчелы, комары. Как паук плетет паутину, этим вопросом часто задаются при виде удивительной ловчей сети.
Что такое паутина?
Пауки одни из древнейших обитателей планеты, из-за маленького размера и специфического внешнего вида их ошибочно считают насекомыми. На самом деле это представители отряда членистоногих. Тело паука имеет восемь ног и два отдела:
- головогрудь;
- брюшко.
В отличие от насекомых у них нет усиков и шеи, отделяющей голову от груди. Брюшко арахнида своеобразная фабрика по производству паутины. В нем расположены железы, вырабатывающие секрет, состоящий из белка, обогащенного аланином, придающим прочность, и глицином, отвечающим за эластичность. По химической формуле паутина близка к шелку насекомых. Внутри желез секрет находится в жидком состоянии, а на воздухе твердеет.
Информация. Шелк гусениц тутового шелкопряда и паутина имеют схожий состав – на 50% это белок фиброин. Ученые выяснили, что нить паука значительно прочнее секрета гусениц. Это объясняется особенностью формирования волокна
Откуда берется паутина у паука?
На брюшке членистоногого расположены выросты – паутинные бородавки. В их верхней части раскрываются каналы паутинных желез, формирующих нити. Насчитывается 6 типов желез, производящих шелк для разных целей (перемещение, опускание, опутывание добычи, хранение яиц). У одного вида все эти органы одновременно не встречаются, обычно у особи 1-4 пары желез.
На поверхности бородавок насчитывается до 500 прядильных трубочек, подающих белковый секрет. Паук прядет паутину следующим образом:
- паутинные бородавки прижимаются к основанию (дерево, трава, стена и т.д.);
- небольшое количество белка прилипает к выбранному месту;
- паук отходит, вытягивая нить задними лапками;
- для основной работы используются длинные и гибкие передние лапки, с их помощью создается каркас из сухих нитей;
- завершающий этап изготовления сети – формирование липких спиралей.
Благодаря наблюдениям ученых стало известно, откуда у паука выходит паутина. Ее выпускают подвижные парные бородавки на брюшке.
Интересный факт. Паутина очень легкая, вес нити, обмотавшей Землю по экватору, составил бы всего 450 г.
Как строится ловчая сеть
Ветер – лучший помощник паука в строительстве. Достав тонкую нить из бородавок, арахнид подставляет ее под воздушный поток, который относит застывший шелк на значительное расстояние. Это секретный способ, как паук плетет паутину между деревьями. Паутинка легко цепляется к веткам деревьев, используя ее в качестве каната, арахнид передвигается с места на место.
В структуре паутины прослеживается определенная схема. Ее основу составляет каркас из прочных и толстых нитей, расположенных в виде лучей, расходящихся из одной точки. Начиная с внешней части, паук создает круги, постепенно двигаясь к центру. Удивительно, что без всяких приспособлений он выдерживает одинаковое расстояние между каждым кругом. Эта часть волокон липкая, именно в ней будут застревать насекомые.
Интересный факт. Паук поедает собственную паутину. Ученые предлагают два объяснения этому факту – таким образом восполняется потеря белка при ремонте ловчей сети или паук просто пьет воду, повисшую на шелковых нитях.
Сложность рисунка паутины зависит от вида паукообразного. Низшие членистоногие строят простые сети, а высшие – сложные геометрические схемы. Подсчитано, что строит ловушку из 39 радиусов и 39 спиралей. Кроме гладких радиальных нитей, вспомогательной и ловчей спирали существуют сигнальные нити. Эти элементы улавливают и передают хищнику вибрацию попавшейся добычи. Если попадается посторонний предмет (ветка, листок), маленький хозяин отделяет его и выбрасывает, затем восстанавливает сеть.
Крупные древесные паукообразные натягивают ловушки диаметром до 1 м. В них попадают не только насекомые, но и мелкие птицы.
Сколько времени паук плетет паутину?
На создание ажурной ловушки для насекомых хищник тратит от получаса до 2-3 часов. Время его работы зависит от погодных условий и запланированных размеров сети. Некоторые виды плетут шелковые нити ежедневно, делая это утром или вечером, в зависимости от образа жизни. Один из факторов, за сколько паук плетет паутину, ее вид – плоская или объемная. Плоская – это привычный всем вариант радиальных нитей и спиралей, а объемная – ловушка из комка волокон.
Назначение паутины
Тонкие сети являются не только ловушками для насекомых. Роль паутины в жизни паукообразных гораздо шире.
Ловля добычи
Все пауки хищники, убивающие свою жертву ядом. При этом некоторые особи имеют хрупкое телосложение и сами могут стать жертвой насекомых, например, ос. Для охоты им нужно убежище и ловушка. Липкие волокна выполняют эту функцию. Попавшую в сеть добычу они опутывают коконом из нитей и оставляют, пока впрыснутый фермент не приведет ее в жидкое состояние.
Шелковые волокна паукообразных тоньше человеческого волоса, но их удельная прочность на разрыв сравнима со стальной проволокой.
Размножение
В период спаривания самцы прикрепляют к паутине самки собственные нити. Нанося ритмичные удары по шелковым волокнам, они сообщают потенциальной партнерше о своих намерениях. Принимающая ухаживания самка спускается на территорию самца для спаривания. В некоторых видах инициатором поиска партнера является самка. Она выделяет нить с феромонами, благодаря которым ее находит паук.
Дом для потомства
Из шелкового паутинного секрета плетутся коконы для яиц. Их количество в зависимости от вида членистоногих составляет 2-1000 штук. Паутинные мешочки с яйцами самки подвешивают в безопасном месте. Оболочка кокона достаточно прочна, она состоит из нескольких слоев и пропитывается жидким секретом.
В своей норке паукообразные оплетают стенки паутиной. Это помогает создать благоприятный микроклимат, служит защитой от непогоды и природных врагов.
Перемещение
Один из ответов, зачем паук плетет паутину – он использует нити как транспортное средство. Чтобы перемещаться между деревьями и кустами, быстро пониматься и опускаться ему необходимо прочные волокна. Для полетов на дальние расстояния пауки забираются на возвышения, выпускают быстро застывающую паутину, а затем с порывом ветра уносятся на несколько километров. Чаще всего путешествия совершаются в теплые ясные дни бабьего лета.
Почему паук не прилипает к своей паутине?
Чтобы не попасть в собственную ловушку, паук делает несколько сухих нитей для передвижения. Прекрасно ориентируюсь в хитросплетениях сетей, он безопасно подбирается к прилипшей добыче. Обычно в центре ловчей сети остается безопасный участок, где хищник поджидает добычу.
Интерес ученых к взаимодействию паукообразных с их охотничьими ловушками появился более 100 лет назад. Первоначально было выдвинуто предположение о наличии на их лапках специальной смазки, предотвращающей прилипание. Подтверждений теории так и не нашли. Съемка специальной камерой движения ног паука по волокнам из застывшего секрета дал объяснение механизму соприкосновения.
Паук не прилипает к своей паутине по трем факторам:
- множество упругих волосков на его лапках уменьшает площадь соприкосновения с липкой спиралью;
- кончики паучьих ног покрыты маслянистой жидкостью;
- перемещение происходит особым образом.
Каков секрет строения лапок помогает арахнидам избежать прилипания? На каждой ноге паука есть два опорных когтя, которыми он цепляется за поверхность, и один гибкий коготь. При движении он прижимает нити к гибким волоскам на лапке. Когда паук поднимает лапку, коготь распрямляется, а волоски отталкивают паутину.
Другое объяснение – отсутствие непосредственного контакта ноги паукообразного и липких капель. Они попадают на волоски лапки, а затем легко стекают обратно на нить. Какие бы теории не рассматривали зоологи, неизменным остается тот факт, что пауки не становятся узниками собственных липких ловушек.
Плести паутину могут и другие паукообразные – клещи и ложноскорпионы. Но их сети не сравнятся по прочности и искусному переплетению с произведениями настоящих мастеров – пауков. Современная наука пока не в состоянии воспроизвести паутину синтетическим методом. Технология изготовления паутинного шелка остается одной из загадок природы.
Поперечный разрез нити, проволоки, даже паутины, как бы мал он ни был, все же имеет определенную геометрическую форму, чаще всего форму окружности. При этом диаметр поперечного сечения или, будем говорить, толщина одной паутины примерно 5 микронов (5 }
Мм. Есть ли что-нибудь тоньше паутины? Кто
U000 ) У У
самая искусная «тонкопряха»? Паук или, может быть, шелковичный червь? Нет. Диаметр нити натурального шелка 18 микронов, т.е. нить в 3"/ 2 раза толще одной паутины.
Люди издавна мечтали о том, чтобы своим мастерством превзойти искусство паука и шелковичного червя. Известна старинная легенда об изумительной ткачихе, гречанке Арахнее. Она в таком совершенстве овладела ткацким ремеслом, что се ткани были тонки, как паутина, прозрачны, как стекло, и легки, как воздух. С ней не могла соперничать паже сама Афина - богиня мудрости и покровительница ремесел.
Рис. 162.
Эта легенда, как и многие другие древние легенды и фантазии, в наше время стала былью. Современной Арахнеей, самой искусной «тонкопряхой», оказались инженеры-химики, создавшие из обыкновенной древесины необычайно тонкое и удивительно прочное искусственное волокно. Шелковые нити, полученные, например, медноаммиачным промышленным способом, в 2‘/г раза тоньше паутины, а в прочности почти нс уступают нитям натурального шелка. Натуральный шелк выдерживает нагрузку до 30 кг на 1 кв. мм поперечного сечения, а медноаммиачный - до 25 кг на 1 кв. мм.
Любопытен способ изготовления медноаммиачного шелка. Древесину превращают в целлюлозу, а целлюлозу растворяют в аммиачном растворе меди. Струйки раствора через тонкие отверстия выливают в воду, вода отнимает растворитель, после чего образующиеся нити наматывают на соответствующие приспособления. Толщина нити медноаммиачного шелка 2 микрона. На 1 микрон толще ее так называемый ацетатный, тоже искусственный, шелк. Поразительно то, что некоторые сорта ацетатного шелка крепче стальной проволоки! Если стальная проволока выдерживает нагрузку в 110 кг на один квадратный миллиметр поперечного сечения, то нить ацетатного шелка выдерживает 126 кг на 1 кв. мм.
Рис. 163.
Всем нам хорошо известный вискозный шелк имеет толщину нити около 4 микронов, а предельную прочность от 20 до 62 кг на 1 кв. мм поперечного сечения. На рис. 162 приведена сравнительная толщина паутины, человеческого волоса, различных искусственных волокон, а также волокон шерсти и хлопка, а на рис. 163 - их крепость в килограммах на 1 кв. мм. Искусственное, или, как его еще называют, синтетическое, волокно- одно из крупнейших современных технических открытий и имеет огромное хозяйственное значение. Вот что рассказывает инженер Буянов: «Хлопок растет медленно, и количсство его зависит от климата и урожая. Производитель натурального шелка - шелковичный червь - чрезвычайно ограничен в своих возможностях. За свою жизнь он выпрядет кокон, в котором имеется лишь 0,5 г шелковой нити...
Количество искусственного шелка, полученного путем химической переработки из 1 куб. м древесины, заменяет 320 000 шелковых коконов или годовой настриг шерсти с 30 овец, или средний урожай хлопка с ’/г га. Этого количества волокон достаточно для выработки четырех тысяч пар женских чулок или 1500 м шелковой ткани».
Кандидат физико-математических наук Е. Лозовская
Наука и жизнь // Иллюстрации
Клейкое вещество, покрывающее нить ловчей спирали, равномерно распределяется по паутине в виде капелек-бусинок. На снимке показано место присоединения двух фрагментов ловчей спирали к радиусу.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Начальные этапы построения ловчей сети пауком-крестовиком.
Логарифмическая спираль приближенно описывает форму вспомогательной спиральной нити, которую прокладывает паук при строительстве колесовидной ловчей сети.
Спираль Архимеда описывает форму клейкой ловчей нити.
Зигзагообразные нити - одна из особенностей тенет пауков рода Argiope.
Кристаллические области шелкового волокна имеют складчатую структуру, наподобие той, что изображена на рисунке. Отдельные цепи соединены водородными связями.
Юные паучки-крестовики, только что выбравшиеся из паутинного кокона.
Пауки семейства Dinopidae spinosa плетут сетку из паутины между своих ног и затем набрасывают ее на жертву.
Паук-крестовик (Araneus diadematus) известен своим умением плести большие колесовидные ловчие сети.
Некоторые виды пауков пристраивают к круглой ловушке еще и длинную "лестницу", которая существенно повышает эффективность охоты.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Так выглядят под микроскопом паутинные трубочки, из которых выходят нити паутинного шелка.
Возможно, пауки - не самые привлекательные создания, но их творение - паутина - не может не вызывать восхищения. Вспомните, как завораживает взгляд геометрическая правильность переливающихся на солнце тончайших нитей, растянутых между ветвями кустарника или среди высокой травы.
Пауки - одни из древнейших обитателей нашей планеты, заселившие сушу более 200 миллионов лет назад. В природе насчитывается около 35 тысяч видов пауков. Эти восьминогие существа, обитающие повсеместно, узнаваемы всегда и всюду, несмотря на различия в окраске и размерах. Но самая главная их отличительная особенность - это способность производить паутинный шелк, непревзойденное по прочности натуральное волокно.
Пауки используют паутину для самых разных целей. Они делают из нее коконы для яиц, строят убежища для зимовки, используют в качестве "страховочного каната" при прыжках, плетут замысловатые ловчие сети и заворачивают пойманную добычу. Готовая к спариванию самка производит паутинную нить, помеченную феромонами, благодаря чему самец, двигаясь вдоль нити, легко находит партнершу. Молодые пауки некоторых видов улетают из родительского гнезда на длинных нитях, подхваченных ветром.
Питаются пауки в основном насекомыми. Ловчие приспособления, которыми они пользуются для добывания пищи, бывают самых разных форм и видов. Некоторые пауки просто протягивают несколько сигнальных нитей рядом со своим убежищем и, как только насекомое задевает за нить, бросаются на него из засады. Другие - выбрасывают нить с клейкой каплей на конце вперед, как своеобразный аркан. Но вершина конструкторской деятельности пауков - это все-таки круглые колесовидные тенета, расположенные горизонтально или вертикально.
Чтобы построить колесовидную ловчую сеть, паук-крестовик, обычный обитатель наших лесов и садов, выпускает довольно длинную прочную нить. Ветерок или восходящий поток воздуха поднимает нить вверх, и, если место для постройки паутины выбрано удачно, она цепляется за ближайшую ветку или другую опору. Паук проползает по ней, чтобы закрепить конец, иногда прокладывая для прочности еще одну нить. Затем он выпускает свободно свисающую нить и к ее середине прикрепляет третью, так что получается конструкция в форме буквы Y - первые три радиуса из более чем полусотни. Когда радиальные нити и рама готовы, паук возвращается в центр и начинает прокладывать временную вспомогательную спираль - что-то вроде "строительных лесов". Вспомогательная спираль скрепляет конструкцию и служит пауку дорожкой при построении ловчей спирали. Весь основной каркас сети, включая радиусы, делается из неклейкой нити, а вот для ловчей спирали используется двойная нить, покрытая клеящим веществом.
Удивительно то, что эти две спирали имеют разную геометрическую форму. Временная спираль имеет относительно мало витков, и расстояние между ними с каждым витком увеличивается. Происходит это потому, что, прокладывая ее, паук движется под одинаковым углом к радиусам. Форма получившейся ломаной линии близка к так называемой логарифмической спирали.
Липкая ловчая спираль строится по другому принципу. Паук начинает с края и продвигается к центру, сохраняя одинаковое расстояние между витками, и получается спираль Архимеда. При этом он обкусывает нити вспомогательной спирали.
Паутинный шелк производится особыми железами, расположенными в задней части брюшка паука. Известно по крайней мере семь типов паутинных желез, производящих разные нити, но ни у одного из известных видов пауков не встречаются все семь типов сразу. Обычно у паука от одной до четырех пар этих желез. Плетение паутины дело не быстрое, и на построение ловчей сети среднего размера уходит примерно полчаса. Чтобы переключиться на производство паутины другого вида (для ловчей спирали), пауку требуется минутная передышка. Пауки часто используют паутину повторно, съедая остатки ловчей сети, поврежденной дождем, ветром или насекомыми. Паутина переваривается в их организме с помощью специальных ферментов.
Структура паутинного шелка идеально отработана за сотни миллионов лет эволюции. Этот природный материал сочетает в себе два чудесных свойства - прочность и эластичность. Сеть из паутины способна остановить насекомое, летящее на полной скорости. Нить, из которой пауки плетут основу своей ловчей сети, тоньше человеческого волоса, а ее удельная (то есть пересчитанная на единицу массы) прочность на разрыв выше, чем у стали. Если сравнивать паутинную нить со стальной проволокой такого же диаметра, то они выдержат примерно одинаковый вес. Но паутинный шелк в шесть раз легче, а значит, в шесть раз прочнее.
Подобно человеческому волосу, шерсти овцы и шелку коконов гусеницы шелкопряда, паутина состоит в основном из белков. По аминокислотному составу белки паутины - спидроины - относительно близки к фиброинам, белкам, из которых состоит шелк, вырабатываемый гусеницами шелкопряда. И те и другие содержат необычно много аминокислот аланина (25%) и глицина (около 40%). Участки белковых молекул, богатые аланином, образуют плотно упакованные в складки кристаллические области, обеспечивающие высокую прочность, а те участки, где больше глицина, представляют собой более аморфный материал, способный хорошо растягиваться и тем самым придающий нити эластичность.
Как же образуется такая нить? На этот вопрос пока нет полного и ясного ответа. Наиболее подробно процесс прядения паутины был изучен на примере ампуловидной железы паука-кругопря да Nephila clavipes. Ампуловидная железа, производящая самый прочный шелк, состоит из трех основных отделов: центрального мешочка, очень длинного изогнутого канала и трубочки с выходным отверстием. Из клеток на внутренней поверхности мешочка выходят маленькие сферические капельки, содержащие молекулы белка спидроина двух типов. Этот вязкий раствор перетекает в хвостовую часть мешочка, где другие клетки выделяют белки другого типа - гликопротеины. Благодаря гликопротеинам образующееся волокно приобретает жидкокристаллическую структуру. Жидкие кристаллы замечательны тем, что, с одной стороны, они имеют высокую степень упорядоченности, а с другой - сохраняют текучесть. Пока густая масса движется к выходному отверстию, длинные молекулы белков ориентируются и выстраиваются параллельно друг другу в направлении оси формирующегося волокна. При этом между ними образуются межмолекулярные водородные связи.
Человечество скопировало многие из конструкторских находок природы, но такой сложный процесс, как прядение паутины, воспроизвести пока не удается. Эту непростую задачу ученые сейчас пытаются решить с помощью биотехнологических приемов. Первым шагом стало выделение генов, ответственных за производство белков, из которых состоит паутина. Эти гены были внедрены в клетки бактерий и дрожжей (см. "Наука и жизнь" № 2, 2001 г.). Канадские генетики пошли еще дальше - они вывели генетически модифицированных коз, молоко которых содержит растворенные белки паутины. Но проблема не только в том, чтобы получить белок паутинного шелка, необходимо смоделировать природный процесс прядения. А этот урок природы ученым еще предстоит выучить.
Шелк, образующий радиальные нити паутины, состоит из двух белков, определяющих его прочность и эластичность. Каждый белок содержит три участка с разными свойствами. Первый формирует аморфную (некристаллическую), способную к растяжению матрицу, которая придает шелку эластичность. Когда насекомое попадает в паутину, матрица растягивается, поглощая кинетическую энергию соударения с насекомым. Жесткость шелку придают два вида кристаллических областей, встроенных в аморфные участки каждого из белков. Обе эти области имеют плотноупакованную структуру и не поддаются растяжению, причем один из них имеет жесткую конструкцию. Полагают, что кристаллические участки с менее жесткой конструкцией скрепляют жесткие кристаллические структуры с аморфной матрицей.
Толщина нити паутины составляет всего лишь
0,1
диаметра человеческого волоса, однако в несколько раз прочнее стальной проволоки того же веса. В фильме «Человек-паук» прочность паутины сильно недооценена.
Объяснение дает биолог Вильям Пёрвз (William K. Purves) из Колледжа Харви Мадд
Брюшко паука увеличенное в 12 т раз. Фабрика по производсту паутины.
Из подвижных трубок выприскивается белок, который, попав в воздух твердеет, образуя высокопрочную нить.
На рисунке слева кевлар, а справа нанотрубка − карбоновая нить. Тесты показывают более чем трехкратное провосходство в прочности. И это только начало.
