Японские ученые Института физико-химических исследований RIKEN создали устройство, которое прядет паутину, похожую на ту, что вырабатывается из паучьих желез. Если ученые смогут воспроизвести кристаллическую микроструктуру, которая делает паутину такой особенной, то это откроет множество возможностей в производстве новых синтетических материалов, например, волноводов, или материалов. В лаборатории ученым удалось не просто заставить бактерии производить паутину, но и сделать эту паутину прочнее.
Паутина пауков: образование, состав, физические свойства
© Shutterstock Паутина — уникальный биоматериал, который появился в ходе эволюции более 200 миллионов лет назад. — Вообще, паутина — очень перспективный природный материал — полимер, который сочетает в себе превосходные механические и биологические свойства. Паутина, или паучий шелк – это один из изумляющих примеров материалов, создаваемых природой и проявляющих исключительные физические свойства. Проникая сквозь структуру белка паутины, металл делает каждую нить в 10 раз прочнее. Паутина удивительно прочна — только недавно люди научились делать нити, прочностью превышающие паутину.
Откуда пауки берут паутину?
Нить паутины имеет внутреннее ядро из белка, называемого фиброином, и окружающие это ядро концентрические слои гликопротеидных нановолокон. Прочная, упругая и эластичная: такие свойства делают паутину интересным материалом не только для биологов, но и для проектировщиков. Паутина позволяет пауку ловить добычу без необходимости тратить энергию на то, чтобы догонять ее, что делает ее эффективным методом сбора пищи. Образование паутины Выделяя паутину, паук вытягивает вязкий секрет из паутинных трубочек при помощи задних ног, но чаще просто прижимает паутинные бородавки к субстрату.
Чтобы сделать паутину сверхпрочной, просто добавьте титан
Самцы пауков-крестовиков ловко присоединяют свои горизонтальные паутины к радиально расположенным нитям ловчих сетей, сделанных самками. — Вообще, паутина — очень перспективный природный материал — полимер, который сочетает в себе превосходные механические и биологические свойства. Известно, что паутина прочнее и легче, чем сталь, однако ученые из Института Микроструктурной Физики Макса Планка в Германии еще больше усилили ее. Если ученые смогут воспроизвести кристаллическую микроструктуру, которая делает паутину такой особенной, то это откроет множество возможностей в производстве новых синтетических материалов, например, волноводов, или материалов. Для того чтобы самому передвигаться по своей паутине, паук делает и сухие нити, которые тянутся от центра наружу, а между ними находятся нити ловчие. Из чего состоит паутина и какими свойствами она обладает?
Началось массовое производство паутины в промышленности
Ученые химико-биологического кластера петербургского Университета ИТМО разработали гибридный материал с флуоресцентными свойствами из натуральной паутины и наночастиц. [Шерил Хаяси, биолог]: «Пауки делают очень много видов паутины! Паутина позволяет пауку ловить добычу без необходимости тратить энергию на то, чтобы догонять ее, что делает ее эффективным методом сбора пищи. из нее маленькие тарзаны плетут страховочные нити, которые защищают от падения при прыжках. В зависимости от типа используемых желез паук производит около 7 разновидностей волокон различного химического состава, из чего и сплетает структурные части паутины. Результаты исследований показали, что белок, входящий в состав паутины, делает ее в пять раз прочнее стали и в три раза прочнее кевлара.
Объект исследований - паутина
Образование паутины Выделяя паутину, паук вытягивает вязкий секрет из паутинных трубочек при помощи задних ног, но чаще просто прижимает паутинные бородавки к субстрату. Волокно, которое пауки используют для своей паутины, производится специальными брюшными железами. Но на этот раз они заинтересовались, каким образом паук делает тонкую нить, на которой висит сам, когда изготовляет паутину. Как паук плетет паутину, этим вопросом часто задаются при виде удивительной ловчей сети.
Как пауки делают паутину
Паук использует свои ножки и усики, чтобы распределять и соединять эти нити в сложные капканы или спирали. Процесс плетения паутины уникален для каждого вида пауков и может быть связан с их способностями охотиться или создавать убежища. Паутины могут быть разными из-за различий в строении и функциях разных видов пауков. Каждый вид пауков имеет свою специфическую технику плетения паутины, которая определяется их физиологией, поведением и потребностями. Например, пауки-кругопряды плетут сложные и регулярные геометрические паутины, предназначенные для ловли добычи, в то время как пауки-лисицы часто плетут сплошные паутины, которые служат им как укрытия и убежища.
Для этого у них есть специальные паутинные железы. Образующееся в них белковое вещество жидкое, но, едва выйдя на воздух, сразу же застывает, превращаясь в тончайшую нить. Созданные из нее паутины бывают разных видов и разного назначения, некоторые, например, служат для пауков убежищами. Но самые сложные «колесообразные» конструкции для ловли добычи создают пауки-кругопряды.
У них и паутинных желез больше, чем у других пауков, поэтому паутинная нить получается… шести разных типов. Комбинируя их, паук и строит свою ловчую сеть, находясь в постоянном движении.
Затем паук продолжает вытягивать вязкий секрет из паутинных трубочек при помощи задних ног. Когда он удаляется от места прикрепления, остальной секрет просто растягивается в быстро затвердевающие нити. Пауки используют паутину для самых разных нужд. В паутинном убежище паук находит благоприятный микроклимат, там же он укрывается от врагов и непогоды. Некоторые пауки оплетают паутиной стенки норки. Из паутины паук плетет липкие ловчие сети для поимки добычи. Яйцевые коконы, в которых развиваются яйца и молодые паучки, тоже делаются из паутины. Паутина используется пауками также для путешествий - из нее маленькие тарзаны плетут страховочные нити, которые защищают от падения при прыжках.
В зависимости от цели использования паук может выделять липкую или сухую нить определенной толщины. Внешнее строение паука: 1 — ногощупальце; 2 — нога; 3 — глаз; 4 — головогрудь; 5 — брюшко 3. Виды паутины. Если самих пауков разглядывать неприятно, и многие даже их боятся, то паутина, созданная ими, невольно привлекает внимание и вызывает искреннее восхищение. Она напоминает изящное кружево. Изучив научную литературу и другие источники информации, я дала такое определение паутине. Паутина - это нити, производимые с помощью прядильного аппарата, который является индивидуальной особенностью пауков. Она представляет собой вязкою жидкость, застывая на воздухе, которая образует длинные тонкие нити, имеющие клейкие пузырьки. Откуда берется паутина? Итак, разберемся все же, как паук плетет паутину.
На брюшке у «ткача» расположены паутинные железы, которые считаются трансформированными рудиментами ног. Ученым известно семь типов паутинных желез, производящих разные виды паутины, однако у одной особи одновременно может быть только от 1 до 4 типов желез. Внутри тельца вырабатывается особый секрет, который принято называть жидким шелком. На выходе через прядильные трубочки он начинает затвердевать. Одна такая ниточка настолько тонка, что ее трудно разглядеть даже под микроскопом. Лапами, расположенными ближе к «работающим» в текущий момент железам, паук скручивает несколько ниток в одну паутинку — приблизительно так, как это делали женщины в старину при прядении из кудели. Именно в тот момент, как паук плетет паутину, закладывается основная характеристика будущей паутинки — липкость или повышенная крепость. И каков механизм выбора, ученые пока не выяснили. Когда первая нить создана ее создателем достаточно длинной, он прекращает прядение. И ловит ветерок.
Малейшее шевеление ветра даже от нагретой земли относит паутинку к соседней «опоре», за которую та и цепляется. Надо сказать, пауки — весьма экономные создания. Оказавшуюся ненужной поврежденную или старую паутину они съедают, пуская «вторсырье» на второй круг использования. А старой она становится довольно быстро, так как паук плетет паутину зачастую каждый день. Немаловажно наличие специальных чесальных и прядильных инструментов: гребенчатые коготки и ряды щетинок на ногах для расчесывания паутины. Задавая вопрос, зачем пауку паутина, мне все без исключения давали один и тот же ответ: для охоты. Да, безусловно, из паутины пауки делают ловчие сети для «охоты» на насекомых. Но этим вовсе не исчерпываются ее функции. Дополнительно она применяется для утепления норок перед зимовкой, защищая их от холода и влаги; для создания коконов, в которых созревает потомство; для защиты от дождя — из нее пауки делают своего рода навесы, предотвращающие попадание воды в «домик»; для путешествий. Некоторые пауки переселяются сами и выпроваживают из лона семьи детей на длинных паутинках, уносимых ветром как на парашюте.
Образование строительного материала. Разные железы образуют несколько типов паутины: сухая и толстая — для передвижения, шелковистая и мягкая — для плетения кокона, тонкая и клейкая — для ловчей спирали. Четвертичная структура белка при выталкивании из протока изменяется таким образом, что в результате формируются нити. Из нитевидных образований в последствие получаются волокна, прочность которых в 4-10 раз больше прочности человеческого волоса. В 1,5-6 раз прочнее стальных сплавов. В состав жидкости содержится большая концентрация белка, содержащая следующие аминокислоты: глицин, аланин, сирин. Интересные факты: если нить не зацепляется за ветку, то паук подтягивает её и съедает, чтобы продукт не пропадал. По химическому составу и физическим свойствам паутина близка к шелку тутовых шелкопрядов и гусениц, только она гораздо прочнее и эластичнее: если нагрузка разрыва для гусеничного шелка составляет 33-43 кг на 1 мм2, то для паутины - от 40 до 261 кг на мм2 в зависимости от вида! Чаще всего мы видим многоугольные сети иногда они бывают почти круглыми. Плетение от пауков требует невероятной сноровки и терпения.
Сидя на верхней ветке, они формируют нить которая зависает в воздухе.
Она могла бы быть применена в хирургии, в качестве замены поврежденных сухожилий у человека. Получить ее в большом объеме естественным путем очень сложно. Многие ведущие компании принялись воспроизводить ее путем синтеза белка и внедрение в кишечную палочку. Долгое время этого не удавалось сделать.
Это сделала компания AMSilk. После скрещивания молекул кишечной палочки с генами садового паука-крестовика, они получили четыре вида паутины, с 20 степенями прочности. Компания уже продает готовый продукт синтезированной паучьей нити, косметическим фирмам по производству шампуней и другой косметики. Шампуни, в которые входит такой элемент, делают волосы более гладкими, прочными, а заодно он и восстанавливает их.
Новости отрасли
Сравнение паутинных нитей по прочности с шелковыми нитями — не в пользу последних. Например, нить ловчей сети обыкновенного крестовика почти в 2! Даже самая толстая паутина у пауков из семейства аргиопид имеет среднюю толщину нити меньше, чем другие типы шелка. Она не превышает 10 микрон, тогда как у гусеничного шелка колеблется в пределах 13—26, а у вискозного — не ниже 40. У большинства же пауков нить еще тоньше и составляет 2—3 микрона! Выделение паутинных нитей полностью контролируется центральной нервной системой паука. В зависимости от обстоятельств он может выделять липкую или сухую нить определенной толщины и даже определенного цвета. Так, паутина, из которой изготавливается яйцевой кокон, никогда не бывает клейкой; она также имеет ряд и других особенностей, например, цвет.
Идея исходит от многих созданий, которые обладают способностью прясть паутину, жала и когти которых усилены и укреплены металлами. Например, мандибула муравья-листореза и саранчи содержит цинк, а некоторые морские черви имеют медь в протеиновой матрице, которая составляет их челюсти. Галле, Германия, направляли лучи ионизированных соединений металла на шёлковые нити паука-кругопряда Araneus diatematus с помощью технологии атомно-слоевой эпитаксии ALD. Каждое шёлковое волокно покрывалось тонким слоем оксида металла, некоторые ионы металла проникали сквозь волокно.
Сейчас это довольно модная тема, которой занимаются как в России, так и за рубежом. Наша кафедра заинтересовалась именно натуральными свойствами этой паутины, поэтому сейчас мы развиваем это особое направление», — отметил магистрант химико-биологического кластера Университета ИТМО Дауддин Дауди.
Кроме того, это самый прочный биоматериал, полученный на сегодня. Созданные здесь бионические наноцеллюлозные волокна в восемь раз более прочные, чем натуральные шелковые паутины пауков-драглайнов. А это «золотой стандарт» прочности для биоматериалов. Удельная прочность нашего материала превосходит удельную прочность металлов, сплавов, керамики и стекловолокна. Даниэль Седерберг, соавтор исследования. Команда измерила жесткость растяжения материала, что составила 86 гигапаскалей, а его предел прочности на разрыв составляет 1,57 гигапаскаля. Исследователи говорят, что эта техника может быть использована для создания прочных, легких материалов для строительства самолетов, автомобилей, велосипедов, мебели.
Образование паутины
- Исследователи раскрыли тайну паутины: Новости химии @
- Почему паутина такая липучая
- Ученые выяснили, что делает паутину такой крепкой
- Правила комментирования
- Петербургские учёные создали материал для имплантологии из паутины
Ученые выяснили, что делает паутину такой крепкой
We use cookies. Для большинства из нас самое завораживающие в пауках — это их паутина. Но в действительности паук — очень удивительное создание и во многих других отношениях. Пауки живут во всех климатических зонах в зависимости от вида, как в воздухе, так и на воде, на земле и в почве. Их размеры колеблются от 8 см до едва различимых. Некоторые виды могут обходиться целый год без воды, а один подвид — большой тарантул — питается птицами и живет около 15 лет. Однако большинство видов живут только один год. Но самое важное — это то, что пауки не являются насекомыми. Они принадлежат к группе, называемой «паукообразные».
Полученные белки имели меньше повторяющихся последовательностей аминокислот, чем у паутины, то есть бактериям было проще их создавать. В итоге получался гибридный амилоидный белок с 128 повторяющимися единицами. Это меньше, чем 192 в предыдущей разработке ученых, но наличие бета-нанокристаллов с лихвой компенсирует этот недостаток высокой прочностью. Показатель предела прочности на разрыв составляет около 1 ГПа, а средняя ударная вязкость — 161 мегаджоуль на м3.
В таком сочетании материал превосходит большинство искусственных волокон, а также естественных, включая нити паука-кругопряда. Более того, ученые убеждены, что запас для увеличения прочности материала еще большой: они работали всего с тремя амилоидными цепочками, а среди тысяч других могут скрываться еще более интересные комбинации.
Многие ведущие компании принялись воспроизводить ее путем синтеза белка и внедрение в кишечную палочку. Долгое время этого не удавалось сделать. Это сделала компания AMSilk. После скрещивания молекул кишечной палочки с генами садового паука-крестовика, они получили четыре вида паутины, с 20 степенями прочности. Компания уже продает готовый продукт синтезированной паучьей нити, косметическим фирмам по производству шампуней и другой косметики. Шампуни, в которые входит такой элемент, делают волосы более гладкими, прочными, а заодно он и восстанавливает их. В дальнейшем, на фармацевтических рынках появятся спреи с эффектом заживления ран, на основе паутины. Сейчас ведутся разговоры о том, чтобы использовать данную технологию в пластической хирургии.
Используя новейшие технологии, в том числе спектроскопию ядерного магнитного резонанса, а затем электронную микроскопию, ученые смогли более точно установить, что именно происходит внутри паутинной железы. Оказалось, что мицеллы имеют более сложную структуру, а сборка белка происходит намного запутаннее, чем предполагалось ранее. Ученые смогли дополнить и модифицировать теорию мицелл. Если исследователи смогут повторить процесс в лабораторных условиях и синтезировать искусственную паучью нить, применение такого материала будет практически безграничным: от текстиля для военных до сооружения мостов. Читайте также:.