Posadzoo.ru

Журнал про животных
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Состав паутины паука формула

Химические тайны паутины*

Пауки принадлежат к древнейшим обитателям Земли: следы первых паукообразных найдены в породах, которым 340–450 млн лет. Пауки примерно на 200–300 млн лет старше динозавров и более чем на 400 млн лет – первых млекопитающих. У природы было достаточно времени, чтобы не только умножить число паучьих видов (их известно около 60 тыс.), но и вооружить многих этих восьминогих хищников удивительным средством охоты – паутиной. Рисунок паутины может быть различным не только у разных видов, но и у одного паука в присутствии тех или иных химических веществ, например взрывчатых или наркотических. Пауков даже собирались запустить в космос для исследования влияния микрогравитации на рисунок паутины. Однако больше всего загадок таило вещество, из которого состоит паутина.

Паутина, как наши волосы, шерсть животных, нити шелковичных червей, состоит в основном из белков. Но полипептидные цепи в каждой паутинной нити переплетены столь необычным образом, что обрели почти рекордную прочность. Одиночная нить, производимая пауком, столь же прочна, как стальная проволока равного диаметра. Канат, сплетенный из паутины, толщиной всего примерно с карандаш, мог бы удержать на месте бульдозер, танк и даже такой мощный аэробус, как «Боинг-747». Но плотность стали в шесть раз больше, чем паутины.

Известно, сколь высока прочность шелковых нитей. Классическим примером служит наблюдение, сделанное аризонским врачом еще в 1881 г. На глазах этого врача произошла перестрелка, в которой один из стрелявших был убит. Две пули попали в грудь и прошли навылет. При этом с обратной стороны каждой раны торчали кусочки шелкового носового платка. Пули прошли сквозь одежду, мышцы и кости, но не смогли разорвать попавшегося им на пути шелка.

Почему же в технике применяют стальные конструкции, а не более легкие и эластичные – из материала, подобного паутине? Почему шелковые парашюты не заменяют этим же материалом? Ответ прост: попробуйте-ка сделать такой материал, какой ежедневно легко производят пауки, – не получится!

Ученые разных стран мира долго изучали химический состав паутины восьминогих ткачей, и сегодня картина ее строения раскрыта более или менее полно. Нить паутины имеет внутреннее ядро из белка, называемого фиброином, и окружающие это ядро концентрические слои гликопротеидных нановолокон. Фиброин составляет примерно 2/3 массы паутины (а также, кстати, и натурального шелкового волокна). Это вязкая, сиропообразная жидкость, полимеризующаяся и затвердевающая на воздухе.

Гликопротеидные волоконца, диаметр которых может составлять всего несколько нанометров, могут располагаться параллельно оси фиброиновой нити или образовывать спирали вокруг нити. Гликопротеиды – сложные белки, которые содержат углеводы и имеют молекулярную массу от 15 000 до 1 000 000 а.е.м, – присутствуют не только у пауков, но и во всех тканях животных, растений и в микроорганизмах (некоторые белки плазмы крови, мышечных тканей, оболочек клеток и др.).

При образовании паутины гликопротеидные волоконца соединяются между собой за счет водородных связей, а также связей между СО- и NН-группами, причем значительная доля связей образуется в паутинных железах паукообразных. Молекулы гликопротеидов могут образовывать жидкие кристаллы со стержневидными фрагментами, которые укладываются параллельно друг другу, что придает структуре прочность твердого тела при сохранении способности течь подобно жидкости.

Основные составные части паутины — простейшие аминокислоты: глицин Н2NCН2СООН и аланин СН3СHNН2CООН. В паутине содержатся и неорганические вещества – гидрофосфат калия и нитрат калия. Их функции сводятся к защите паутины от грибков и бактерий и, вероятно, созданию условий для образования самой нити в железах.

Отличительная особенность паутины — экологичность. Она состоит из легко усваиваемых природной средой веществ и не вредит этой среде. В этом отношении паутина пока не имеет аналогов, созданных руками человека.

Паук может выделять до семи разных по строению и свойствам нитей: одни – для ловчих «сетей», другие – для собственного перемещения, третьи – для сигнализации и т. д. Почти все эти нити могли бы найти широкое применение в промышленности и быту, если бы удалось наладить их широкое производство. Однако «приручить» пауков, как тутовых шелкопрядов, организовать своеобразные паучьи фермы вряд ли возможно: агрессивные привычки пауков и черты единоличника в их характере вряд ли позволят это сделать. А для производства всего 1 м ткани из паутины требуется «работа» более 400 пауков.

Можно ли воспроизвести химические процессы, проходящие в теле пауков, и скопировать природный материал? Ученые и инженеры уже довольно давно разработали технологию кевлара – арамидного волокна:

получаемого в промышленных масштабах и приближающегося по свойствам к паутине. Волокна из кевлара в пять раз слабее паутины, но все же настолько прочны, что их используют для изготовления легких пуленепробиваемых жилетов, защитных шлемов, перчаток, канатов и др. Но кевлар получают в среде горячих растворов серной кислоты, в то время как пауку требуется обычная температура. Химики пока не знают, как приблизиться к таким условиям.

Однако к решению материаловедческой проблемы приблизились биохимики. Сначала были выявлены и расшифрованы паучьи гены, программирующие образование нитей того или иного строения. Сегодня это касается пауков 14 видов. Затем американские специалисты из нескольких исследовательских центров (каждая группа самостоятельно) ввели эти гены бактериям, пытаясь получить нужные белки в растворе.

Ученые канадской биотехнологической фирмы «Нексиа» ввели такие гены мышам, затем перешли на коз, и козы стали давать молоко с тем самым белком, который образует нить паутины. Летом 1999 г. двух африканских карликовых козлов, Петера и Уэбстера, генетически запрограммировали давать потомство коз, молоко которых содержало такой белок. Эта порода хороша тем, что потомство становится взрослым уже в трехмесячном возрасте. Фирма пока хранит молчание, как делать нити из молока, но уже зарегистрировала название созданного ею нового материала – «BioSteel» («биосталь»). Статья о свойствах «биостали» опубликована в журнале «Science» («Наука», 2002, т. 295, с. 427).

Читать еще:  Черная вдова паук в краснодарском крае

Другим путем пошли немецкие специалисты из Гатерслебена: они ввели гены, подобные паучьим, в растения – картофель и табак. Им удалось получить в картофельных клубнях и табачных листьях до 2% растворимых белков, состоящих в основном из спидроина (главного фиброина пауков). Предполагается, что, когда количества производимого спидроина станут значительными, из него в первую очередь будут делать медицинские бинты.

Молоко, полученное от генетически измененных коз, вряд ли можно отличить по вкусу от натурального. Генетически модифицированный картофель похож на обычный: его в принципе тоже можно варить и жарить.

Материал подготовил Э.Г.Раков

* См. также № 29/2002 («Пауки для армии США»)

ЗАГАДКИ ПАУТИНЫ

Кандидат физико-математических наук Е. Лозовская

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.

Читать еще:  Паук крестоносец фото

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.

Состав паутины паука формула

Тезисы

Название научно-исследовательской работы: «Новые материалы: исследование физико-химических свойств паутины».

Автор работы: Семенов Илья Александрович

Образовательное учреждение, в котором обучается автор работы: Автономное общеобразовательное учреждение муниципального образования г. Долгопрудного средняя общеобразовательная школа №11.

Научный руководитель: Семенов Александр Валерьевич, МФТИ, к.т.н., старший преподаватель ФРТК

Целью исследовательской работы является изучение физико-химических свойств паутины.

Поставленные и решенные задачи:

  1. Изучена природа пауков.
  2. Исследовано значение паутины в природе.
  3. Проведена практическая работа, направленная на изучение свойств путины.

Актуальность исследования. Паутина – одна из удивительных технологических находок природы: она является прочной и экологичной. Паутина пока не имеет аналогов, созданных руками человека. Ученые разных стран мира уже долго изучают химический состав паутины. Но, несмотря на достигнутый ими успех в данной области, до сих пор еще никому не удалось воссоздать такую паутину, которую плетут пауки! Поэтому я считаю, что изучение физико-химических свойств паутины и возможностей их применения для производства новых материалов является перспективным.

Объектом исследования являются физико-химические свойства паутины.

Предметом исследования является изучение свойств паутины и возможностей ее использования людьми.

Гипотеза исследования: пауки – одно из чудес живой природы, а их «продукт» – паутину можно использовать для практических целей в жизнедеятельности людей.

Методы исследования: анализ литературы, наблюдение, эксперимент, сравнительный анализ.

Значимость и новизна исследования. В ходе работы я узнал много нового о жизни пауков. Изучены свойства паутины. Благодаря полезным свойствам паутины, человек может ее использовать в своей жизнедеятельности. Паутина обладает кровоостанавливающим действием и способствует заживлению тканей. Эти свойства паутины нужны современной медицине. Врачи могут использовать ее для наложения швов. Паутина — отличный материал для изготовления прочных и легких тканей. Серия проведенных экспериментов позволила узнать физико-химические свойства паутины. Знание химического состава паутины позволит в будущем в лабораторных условиях получить искусственную паучью, максимально приближенную к «натуральной».

Итоги исследования. Наблюдения за действиями паука – плетением паутины и ловлей добычи (наблюдения проводились в период летних каникул 2016 г.) показали, что паук никогда не сидит в самом центре своей ловчей сети, он прячется в каком-то укрытии поблизости. И от сети к укрытию обязательно тянется паутинка — сигнальная нить.

Физико-химические свойства паутины я исследовал с помощью проведения шести экспериментов:

  1. Изучение эластичности паутины (постепенно растягивал паутину с разными усилиями до тех пор, пока она не порвалась). Данный эксперимент показал, что паутина эластична и не деформируется, при повышенном давлении разрывается (имеет предел прочности).
  2. Влияние температуры окружающей среды на паутину (паутина помещалась в морозильную камеру холодильника и на жару на 24 часа — внешний вид паутины не изменился: ее цвет остался прежним, на паутинках не появился иней, на ощупь она не была холодной и оставалась липкой, свойства эластичности паутины сохранились). Данный эксперимент показал, что на внешний вид паутины, ее качество и свойства не влияет высокая и низкая температура, а также резкий перепад температуры воздуха.
  3. Изучение особенностей взаимодействия паутины с водой (смачивал паутину водой, наблюдал, растягивал, опускал в воду). Данный эксперимент показал, что паутина не впитывает воду и не растворяется водой; в воде – не тонет (легче воды), намоченная паутина растягивается из-за эластичности.
  4. Горение паутины (поджег паутину и резину, сравнивал реакцию горения: пламя горения паутины красное в середине, по краям синее, без выделения черного дыма. При горении — резкий запах жженого пера). Данный эксперимент показал, что паутина горит, не плавится, значит, она натурального происхождения.
  5. Проверка прочности паутины (постепенно утолщал «веревку» из паутины, привязывал грузы). Данный эксперимент показал, что прочность паутины повышается при увеличении количества паутинок.
  6. Химический состав паутины (провел две характерные реакции для белков с азотной кислотой и биуретовую реакцию: в результате реакции паутины с азотной кислотой образовался сгусток желтого цвета; при взаимодействии паутины с гидроксидом меди произошло окрашивание раствора в фиолетовый цвет). Данный эксперимент показал, что в состав паутины входит белок; поскольку паутина превратилась в сгусток желтого цвета, значит, в белке присутствуют аминокислоты фенилаланин и тирозин.

Опыты показали, что паутина является натуральной, эластичной, тягучей, липкой, хорошо горит, плавает в воде, сохраняет тепло, устойчива к высокой и низкой температуре, отталкивает воду и является прочной. Значит, из паутины можно получать прочные и легкие материалы. Вещество, из которого образована паутина, не окисляется на воздухе, не разлагается без доступа воздуха. Качественные реакции на белок подтвердили, что в состав паутины входит белок, в котором присутствуют аминокислоты фенилаланин и тирозин.

Читать еще:  Черный паук краснодарский край

Результаты моих наблюдений и экспериментов подтвердили гипотезу: пауки – одно из чудес живой природы, а их «продукт» – паутину можно использовать для практических целей в жизнедеятельности людей.

Апробация работы. Наблюдения за жизнью пауков и исследования физических свойств паутины проводятся мной с первого класса. Некоторые из результатов моего исследования докладывались лично и обсуждались на следующих мероприятиях:

  1. Школьная конференция с докладом «Удивительное рядом». Школа № 8 им. А.Г. Ломакина, г. Таганрог, 2012 год. (1 место)
  2. Вторая Всероссийская конференция «Первые шаги в науку» с докладом «Изучение свойств паутины и возможностей её использования людьми». г. Таганрог, 2015 год. (1 место).

По теме исследований имеется одна публикация в сборнике материалов II Всероссийской конференции «Первые шаги в науку».

Как паук плетет паутину

В наше время благодаря достижениям науки и техники, можно увидеть и понять, как паук плетет паутину. Эти способности членистоногие унаследуют от своих родителей на генетическом уровне. Другими словами, все действия запрограммированы, поскольку молодых паучков никто такому мастерству не учит. Различные виды пауков плетут паутину различной формы, различной величины и различной структуры, в зависимости от предназначения.

Состав паутины

У пауков имеются специальные железы, которые вырабатывают особый секрет. После того, как из желез начинает появляться это вещество, паук его растягивает, в результате чего получаются тонкие и прочные ниточки. В результате фигурных переплетений получается достаточно прочная конструкция. Этот секрет предназначается для различных, в том числе и строительных целей.

Основу подобного строительного материала составляет белок, в комплексе с аланином, серином и глицином. Находясь внутри паутинной железы, вещество представляет жидкую форму. После того, как вещество будет использовано в виде нитей, оно затвердевает на воздухе.

Паутинные железы, в виде бородавок, расположены рядом с половыми органами. Нить состоит из кристаллического белка, который в разы увеличивает прочность и гибкость высохших нитей. В зависимости от предназначения паутины ее толщина и прочность может заметно отличаться.

Интересный факт! Прочность паутины такая же, как если бы ее связали из нейлона. При этом она сохраняет свои характеристики, как при сжатии, так и при растяжении. Если на длинной паутине подвесить предмет и начинать его вращать в одном направлении, то паутина не запутается и не окажет никакого сопротивления вращению. Благодаря таким уникальным свойствам паутины, паук может долго висеть на паутине. Паутина не только прочная, она достаточно легкая, поэтому пауки часто с помощью паутины преодолевают большие расстояния под действием силы ветра.

Зачем пауку нужна паутина

Паук не просто плетет паутину, там, где ему вздумается и когда ему вздумается. Он плетет ее, когда нужно и в тех местах, где она ему может пригодиться. У каждого паука паутина имеет свое предназначение. Самки плетут паутину для того, чтобы привлечь самцов. Поэтому:

  • Паутинные железы находятся рядом с половыми органами, что позволяет самке заодно выделить специальный секрет, который привлекает самцов.
  • Ловчие сети плетут кругопряды. Такие сети могут иметь диаметр 2 м, а то и больше. Прочность нитей такова, что в паутине может запутаться птичка, не большой грызун или земноводное. Большинство пауков ловят насекомых, а также их личинок.
  • Пауки, живущие в земле, роют норы с множеством ходов. Они не плетут ловчие сети, но закрывают паутиной вход и плетут сигнальные нити. Эти нити подают сигнал, если жертва окажется рядом с норой. В таком случае паук тут же реагирует и появляется на входе в свою нору.
  • Пауки ведут обособленный способ жизни и только на период размножения формируют пары. Каждый паук охраняет свою территорию и не допускает к себе посторонних особей. В случае освоения новых территорий, паук плетет длинную нить, прикрепив ее к какой-либо основе и ждет хорошего порыва ветра. Оказавшись в воздухе, под действием силы ветра паук способен преодолеть десятки, а то и сотни километров. Подобные миграции приобретают массовый характер, когда на свет появляются молодые паучки.
  • После спаривания самка из паутины делает специальный кокон и откладывает в нем до 1000 шт. яиц. Некоторые виды крепят кокон в каком-либо месте, а некоторые виды таскают его за собой, пока на свет не появятся паучки.
  • Некоторые виды пауков, такие как водяной паук, из паутинных нитей строят для себя гнездо под водой. Этот домик заполняется воздухом, и самка живет в нем. В брачный период она пускает к себе паука, после этого появляется на свет потомство, которое определенное время живет в этом гнезде. Сюда же она таскает пойманную жертву.
  • После попадания в паутину насекомого, паук окутывает его паутиной, впрыснув перед этим токсин. После этого он удаляется от своей жертвы и наблюдает за ней. Приступает к трапезе после полной гибели. Если паук не голоден, то он очередную жертву оставляет до тех пор, пока не проголодается.
  • Существуют разновидности, которые паутиной окутывают листья, после чего протягивают длинную паутину. Когда нужно, паук дергает за паутину, оживляя таким образом листок. В результате, некоторые хищники реагируют на этот листочек, но никак не на настоящее гнездо паука.

Существуют так же пауки-умельцы, которые из подручных средств и паутины сооружают плот и плавают на нем, охотясь при этом на мальков рыб, на личинок, на рачков и т.д.

Если ловчая сеть сильно повреждена, то паук может ее оставить и начать формировать, где-то недалеко новое полотно.

Важный момент! Некоторые членистоногие поедают свои ловчие сети. Специалисты объясняют подобные действия пауков тем, что их организм требует пополнения белком. Кроме этого, на паутине всегда скапливается влага, которая необходима для паука.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector