Загадки павутиння
Можливо, павуки - не найпривабливіші створіння, але їхнє творіння - павутиння - не може не викликати захоплення. Згадайте, як заворожує погляд геометрична правильність тонких ниток, що переливаються на сонці, розтягнутих між гілками чагарника або серед високої трави.
Павуки - одні з найдавніших мешканців нашої планети, що заселили сушу понад 200 мільйонів років тому. У природі налічується близько 35 тисяч видів павуків. Ці восьминогі істоти, що мешкають повсюдно, пізнавані завжди і всюди, незважаючи на відмінності в фарбуванні та розмірах. Але найголовніша їхня відмінна риса - це здатність виробляти павутинний шовк, неперевершене за міцністю натуральне волокно.
Павуки використовують павутину для різних цілей. Вони роблять з неї кокони для яєць, будують притулки для зимівлі, використовують як «страхувальний канат» при стрибках, плетуть хитромудрі ловчі мережі і загортають спійману видобуток. Готова до спарювання самка виробляє павутинну нитку, позначену феромонами, завдяки чому самець, рухаючись уздовж нитки, легко знаходить партнерку. Молоді павуки деяких видів відлітають із батьківського гнізда на довгих нитках, підхоплених вітром.
Харчуються павуки переважно комахами. Ловчі пристосування, якими вони користуються для добування їжі, бувають різних форм і видів. Деякі павуки просто простягають кілька сигнальних ниток поруч зі своїм притулком і, як тільки комаха зачіпає за нитку, кидаються на нього із засідки. Інші - викидають нитку з клейкою краплею на кінці вперед, як своєрідний аркан. Але вершина конструкторської діяльності павуків - це все-таки круглі колесоподібні мережі, розташовані горизонтально або вертикально.
Щоб побудувати колесоподібну ловчу мережу, павук-хрестовик, звичайний мешканець наших лісів та садів, випускає досить довгу міцну нитку. Вітерець або висхідний потік повітря піднімає нитку вгору, і якщо місце для будівництва павутини вибрано вдало, вона чіпляється за найближчу гілку або іншу опору. Павук проповзає нею, щоб закріпити кінець, іноді прокладаючи для міцності ще одну нитку. Потім він випускає вільно звисаючу нитку і до її середини прикріплює третю, так що виходить конструкція у формі літери Y - перші три радіуси з більш ніж півсотні. Коли радіальні нитки та рама готові, павук повертається в центр і починає прокладати тимчасову допоміжну спіраль – щось на кшталт «будівельних риштувань». Допоміжна спіраль скріплює конструкцію і служить павуку доріжкою при побудові спіралі. Весь основний каркас мережі, включаючи радіуси, робиться з неклейки нитки, а ось для ловчої спіралі використовується подвійна нитка, покрита клейкою речовиною.
Дивно те, що ці дві спіралі мають різну геометричну форму. Тимчасова спіраль має відносно мало витків, і відстань між ними з кожним витком збільшується. Відбувається це тому, що, прокладаючи її, павук рухається під однаковим кутом до радіусів. Форма ламаної лінії, що вийшла, близька до так званої логарифмічної спіралі.
Липка ловча спіраль будується за іншим принципом. Павук починає з краю і просувається до центру, зберігаючи однакову відстань між витками, і виходить спіраль Архімеда. При цьому він обкусує нитки допоміжної спіралі.
Павутинний шовк виробляється особливими залозами, що розташовані в задній частині черевця павука. Відомо принаймні сім типів павутинних залоз, що виробляють різні нитки, але в жодного з відомих видів павуків не зустрічаються всі сім типів відразу. Зазвичай у павука від однієї до чотирьох пар цих залоз. Плетіння павутини справа не швидка, і на побудову ловчої мережі середнього розміру йде приблизно півгодини. Щоб переключитися на виробництво павутиння іншого виду (для ловчої спіралі), павуку потрібен хвилинний перепочинок. Павуки часто використовують павутину повторно, з`їдаючи залишки ловчої мережі, пошкодженої дощем, вітром або комахами. Павутина перетравлюється в їхньому організмі за допомогою спеціальних ферментів.
Структура павутинного шовку ідеально відпрацьована за сотні мільйонів років еволюції. Цей природний матеріал поєднує в собі дві чудові властивості - міцність та еластичність. Мережа з павутини здатна зупинити комаху, що летить на повній швидкості. Нитка, з якої павуки плетуть основу своєї ловчої мережі, тонша за людське волосся, а її питома (тобто перерахована на одиницю маси) міцність на розрив вища, ніж у сталі. Якщо порівнювати павутинну нитку зі сталевим дротом такого ж діаметра, то вони витримають приблизно однакову вагу. Але павутинний шовк у шість разів легший, а значить, у шість разів міцніший.
Подібно до людського волосся, вовни вівці та шовку коконів гусениці шовкопряда, павутина складається в основному з білків. За амінокислотним складом білки павутини (спідроїни) відносно близькі до фіброїнів, білків, з яких складається шовк, що виробляється гусеницями шовкопряда. І ті й інші містять надзвичайно багато амінокислот аланіну (25%) та гліцину (близько 40%). Ділянки білкових молекул, багаті аланіном, утворюють щільно упаковані в складки кристалічні області, що забезпечують високу міцність, а ті ділянки, де більше гліцину, є більш аморфним матеріалом, здатним добре розтягуватися і тим самим надає нитки еластичність.
Як же утворюється така нитка? На це питання поки що немає повної та ясної відповіді. Найбільш детально процес прядіння павутиння був вивчений на прикладі ампуловидної залози павука-кругопряда (Nephila clavipes). Ампуловидна залоза, що виробляє найміцніший шовк, складається з трьох основних відділів: центрального мішечка, дуже довгого вигнутого каналу та трубочки з вихідним отвором. З клітин на внутрішній поверхні мішечка виходять маленькі сферичні крапельки, що містять молекули білка спідроїну двох типів. Цей в`язкий розчин перетікає у хвостову частину мішечка, де інші клітини виділяють білки іншого типу – глікопротеїни. Завдяки глікопротеїнам волокно, що утворюється, набуває рідкокристалічну структуру. Рідкі кристали чудові тим, що, з одного боку, вони мають високий рівень упорядкованості, а з іншого - зберігають плинність. Поки густа маса рухається до вихідного отвору, довгі молекули білків орієнтуються і вишиковуються паралельно один одному в напрямку осі волокна, що формується. При цьому між ними утворюються міжмолекулярні водневі зв`язки.
Людство скопіювало багато конструкторських знахідок природи, але такий складний процес, як прядіння павутини, відтворити поки що не вдається. Це непросте завдання вчені зараз намагаються вирішити за допомогою біотехнологічних прийомів. Першим кроком стало виділення генів, відповідальних за виробництво білків, з яких складається павутиння. Ці гени були впроваджені в клітини бактерій та дріжджів. Канадські генетики пішли ще далі – вони вивели генетично модифікованих кіз, молоко яких містить розчинені білки павутини. Але проблема не тільки в тому, щоб отримати білок павутинного шовку, необхідно змоделювати природний процес прядіння. А цей урок природи вченим ще належить вивчити.
Кандидат фізико-математичних наук Е. Лозовська, журнал «Наука та життя»
