Секреты паутиной нити

В XVIII веке некто Бон из Монпелье связал себе пару чулок и перчаток из паутины. Этот опыт использования паутинной нити для текстильных целей оказался единственным. В настоящее время паутина применяется лишь в качестве перекрестий точных оптических приборов.

Паутина синтезируется из аминокислот в крови паука. Происходит это в клетках, находящихся в стенках паутинных желез. Паутина производится капельками; они сливаются в пустотелой центральной части железы. Эта вязкая жидкость фактически представляет собой концентрированный раствор паутины. Раствор накапливается в железах до тех пор, пока у паука не появится потребность в паутине и она не потянется из протоков паутинных бородавок. Паутина быстро вытягивается в тонкую нить и сразу же переходит из вязкого состояния в твердое.

Вещества, которые могут быть вытянуты в нити,— обычно высокомолекулярные полимеры. Состоят они из длинных тонких молекул. Молекулы скручены, когда находятся в растворе. Однако, если они вытянуты из тонкого отверстия, они разворачиваются и располагаются по всей длине волокна. Молекулы удерживаются в этом положении поперечными связями, которые образуются между соседними цепями.

Передвигаясь, паук обычно плетет двойную нить — так называемую висячую. Она удерживает его от падения и прикрепляется с помощью присоединительных дисков всякий раз, когда паук должен опуститься.

Висячая нить иногда усиливается двумя более тонкими нитями. Они используются и для изготовления наружного каркаса и радиальных нитей ловчей сети. Другая основная часть ловчей сети — спиральная нить; она фактически и захватывает попадающих на нее мух.

Вся сеть очень липка и чрезвычайно эластична. Липкость ей придает множество капелек очень вязкого вещества, которое покрывает обе паутинки и удерживает их вместе. При малейшем соприкосновении с вязкой нитью муха прилипает. Нить может растягиваться, не разрываясь, как бы сильна ни была жертва. Обычно это приводит к тому, что муха запутывается и в соседних липких нитях. Удерживая муху, паук челюстями, ногощу-пальцами и передними лапками вращает ее, в то время, как задние его лапки вытягивают паутину из паутинных бородавок. Муха оказывается, таким образом, в паутинном «бинте», и паук часто уносит жертву в свое убежище, где ее ждет участь либо быть съеденной сразу, либо быть подвешенной «про запас».

Имеется и еще одна паутина; она используется для изготовления кокона. Этой нитью паук обволакивает яйца, откладываемые осенью. Кокон защищает яйца от непогоды и посягательств различных хищников.

Паутина состоит из белков. Белки, как известно, играют важнейшую роль в строении и работе всех живых организмов. Из них состоит миозин в мускулах, коллаген в соединительных тканях, гемоглобин в крови, а также ферменты, которые управляют всеми химическими реакциями в живом организме.

Белки — крупные молекулы, построенные из двадцати различных аминокислот. Молекула белка паутины может состоять из одной или нескольких цепей, связанных в одном или нескольких местах. Прочные поперечные связи образованы аминокислотой цистином, может «цепляться» к двум различным цепям. Цистин может также образовать связь между различными частями одной и той же цепи, образуя петли.

Двадцать аминокислот могут образовать огромное количество различных белков. Одна из основных целей, к которой стремятся химики, занимающиеся белками, — установить количество аминокислот в белке и их взаиморасположение.

Для определения аминокислотного состава белок разлагают на составляющие его аминокислоты кипячением в соляной кислоте. Затем из смеси аминокислот выделяют все компоненты. Двадцать пять лет тому назад это было довольно сложной процедурой, требовавшей большого количества материала и времени и к тому же не всегда дававшей точные результаты. В настоящее время полный анализ аминокислот может быть осуществлен на нескольких миллиграммах материала за один день. Ученые создали аппарат, в котором смесь аминокислот сначала разлагается на компоненты, а затем количество их автоматически регистрируется и записывается в виде графиков.

Эти аналитические методы применены при анализе ряда паутин. Существует большая разница в составах нити кокона и висячей нити. Основные аминокислоты первой — аланин и серин, второй — глицин и аланин. Более чем наполовину белок в каждом случае образован лишь двумя аминокислотами, хотя в них присутствуют и многие другие аминокислоты. Больше всего в паутине аминокислот с очень короткими боковыми цепями.

Знать, как располагаются аминокислоты в белке, очень важно. Но это еще не дает возможности объяснить все свойства волокон. Эти свойства зависят в значительной степени от того, как цепи расположены относительно друг друга.

В 1913 году отец и сын Брэгги показали, что кристалл любого вещества, вращаемый в рентгеновских лучах, отражает их под некоторыми определенными углами, так как он состоит из упорядочено расположенных атомов, которые образуют плоскости отражения. В том же году два японца — Никишава и Оно — установили, что многие волокна, которые, как предполагалось, не имели кристаллической структуры, тоже дают определенные отражения.

Существующие рентгенограммы паутинных нитей выглядят невыразительно, если сравнивать их с рентген граммами истинных кристаллов, однако они могут дать значительную информацию о структуре паутины. Тот факт, что такая рентгенограмма содержит пятна, свидетельствует о наличии в волокнах паутины кристаллических участков, имеющих упорядоченное расположение атомов. Заслуга определения структуры этих кристаллических участков принадлежит прежде всего профессору Лайнусу Полингу из Калифорнийского технологического института и профессору Уорвиккеру.

Благодаря этим исследованиям мы знаем, что почти у всех видов паутины похожая структура. Примерное представление о ней можно получить, начертив несколько равноотстоящих параллельных линий на листке бумаги, а затем собрав в складки этот лист под прямыми углами к линиям. Линии представляют собой длинные пептидные цепи, а места, где они пересекаются со складками, обозначают положения атомов углерода, от которых отходят боковые цепи. Они идут под прямыми углами к плоскости листа.

А теперь рассмотрим какое-то количество аналогичных листов, сложенных вместе; плотность их «упаковки» будет зависеть от размеров И-групп. Почти все паутины имеют цепи, расположенные аналогичным образом в пределах листов, и отличаются лишь расстоянием между листами: оно колеблется от 3,3 до 15,6 ангстрем.

Нить паутины под микроскопом — это длинные правильные цилиндры с почти правильным круговым поперечным сечением. Один способ сравнения тонкости волокон — указать вес определенной длины волокна. Для паутины он обычно выражается в денье — весе в граммах 9 километров нити. В этой системе измерения нить шелковичного червя весит 1 денье, в то время как человеческий волос — 40—50 денье. Вес нити кокона паука — 0,7 денье, а висячей нити — еще меньше, 0,07 денье. Висячая нить, обвившая земной шар по экватору, весила бы лишь около 340 граммов.

Прочность и растяжимость нитей имеют важное значение для текстильной промышленности. Чтобы сравнить нити различной толщины, их крепость обычно выражают через прочность на разрыв, то есть через разрывную нагрузку, деленную на денье. Разрывная прочность, таким образом, выражается в граммах на денье. Средняя разрывная прочность нитей кокона составляет 2,2 г/денье, а висячей нити—7,8 г/денье. Удлинение к моменту разрыва достигает соответственно 46% и 31%.

В отличие от висячей нити, нить кокона сравнительно непрочна, и это объясняется ее назначением. Она и не должна выдерживать большие напряжения, ее задача — создавать защитную оболочку для яиц кокона. Для этого паук плетет шестислойную пряжу из вьющейся нити. Каждая нить кокона состоит из шести паутинок. Эта паутинная оболочка напоминает объемную пряжу, которая была разработана в последние годы для изготовления эластичного трикотажа из искусственных волокон.

Спиральная нить ловчей сети, которая образует липкую паутинную ловушку, очень эластична. Ее растяжение и сжатие полностью обратимы, и в этом отношении она напоминает резину.

Одна из задач промышленности искусственных материалов заключается в том, чтобы поставлять покупателям материалы с определенными свойствами. Ткань для нижнего белья, например, должна сохранять тепло и поглощать влагу, а для корда автомобильных покрышек необходима очень прочная ткань.

Разработка искусственных белковых волокон находится еще в зачаточном состоянии, поскольку мы пока еще не можем создать длинные цепи со сложной аминокислотной структурой. Можно, однако, взять одну аминокислоту и полимеризовать ее в длинные цепи, например, в полиаланин или пол и метил глютамаг, получив из них хорошие ткани. Можно также получить высокомолекулярные полимеры с повторяющейся дипептидной последовательностью, например, …глицин — аланин — глицин — аланин — глицин—аланин…

Дальнейшее изучение различных видов паутины — вот тот путь, который наверняка поможет нам в создании искусственных белковых волокон.

Автор: Д. Лукас.