Содержание
Почему паутина такая прочная и можно ли сравнивать ее со сталью?
В следующий раз, когда увидите в лесу паутинку, задумайтесь: она настолько прочная, что одна такая нить толщиной со взрослого человека выдержала бы реактивный лайнер! Ученые долго бились над решением этой загадки и наконец раскрыли секрет: оказалось, что все дело в уникальной структуре ловчей сети пауков.
Василий Макаров
Прочные сети
Чтобы узнать, почему паутина в пять раз прочнее стали, ученые изучили нити, которые ядовитый паук Loxosceles reclusa вырабатывает для создания ловчих сетей и вместилищ для кладок яиц. При укусе этого паука с невероятно длинными лапами у человека развивается локсосцелизм — воспаление, а затем и гангренные струпья из отмирающих тканей на месте укуса. Исследователи внимательно рассмотрели паутину с помощью атомного микроскопа и обнаружили одно удивительное обстоятельство. То, что невооруженный глаз принимает за одну-единственную тончайшую нить (толщина которой примерно в 1000 раз меньше человеческого волоса), на самом деле является плотным «канатом», сплетенным из сотен нановолокон.
Диаметр одного такого волокна — 20 миллионных долей миллиметра. Подобно современным кабелям, каждая нить паутины состоит из параллельных наноструктур длиной не менее 1 мкм.
Не очень длинное волокно, не правда ли? Так может показаться на первый взгляд. Однако, если рассмотреть структуру на микроуровне, то окажется, что длина такого волокна может превосходить ширину примерно в 50 раз — и исследователи уверены, что они могут растягиваться еще сильнее.
Нановолокна в живой природе: секрет прочности
Идея того, что паутина состоит из нановолокон, не нова и уже множество раз обсуждалась в научном сообществе. Однако до сих пор исследователи не могли предоставить доказательство того, что наноскопические нити составляют всю паутину, а не отдельные ее части. «Секретным оружием» ученых в данном случае стали уникальные свойства паутины Loxosceles reclusa. Если большинство пауков прядет цилиндрические нити, то паутина этих по факту плоская, как лента — это облегчило исследование под мощным микроскопом.
Новое открытие основывается на еще более ранней работе, которую команда опубликовала год назад. Тогда ученые выяснили, что L. reclusa (их еще называют «коричневые пауки-отшельники») усиливают плоские нити с помощью специальной техники плетения. Словно живая швейная машинка, паук вплетает примерно 20 микропетель в каждый миллиметр паутины. Такие «стежки» укрепляют липкую ловчую сеть и придают ей невероятную прочность. Исследователи уверяют, что даже если форма нитей и техника плетения сетей у других пауков и отличаются, новое открытие может стать отправной точкой для изучения натуральных волокон, которые производят другие виды.
Заключение
Для человечества эта информация чрезвычайно важна — зная, как природа создает сверхпрочные и очень легкие нити, мы и сами сможем создавать их синтетические аналоги. Искусственная паутина пригодилась бы везде, от военной и медицинской промышленности до рядового текстиля.
Однако сейчас воссоздать подобное волокно в промышленных масштабах крайне тяжело, и в это так никто и не преуспел (хотя пару лет назад такие попытки были). Ученые надеются, что дальнейшие исследования помогут рано или поздно поставить на службу человечеству один из самых сложных и необычных материалов в мире.
Веревка из паутины
Дмитрий Багров
«Квант» №4, 2010
Каждый может легко смахнуть паутину, висящую между ветками дерева или под потолком в дальнем углу комнаты. Но мало кто знает, что если бы паутина имела диаметр 1 мм, то она могла бы выдержать груз массой приблизительно 200 кг. Стальная проволока того же диаметра выдерживает существенно меньше: 30–100 кг, в зависимости от типа стали. Почему же паутина обладает такими исключительными свойствами?
Некоторые пауки прядут до семи типов нитей, каждая из которых имеет собственное назначение. Нити могут использоваться не только для ловли добычи, но и для строительства коконов и парашютирования (взлетая на ветру, пауки могут уходить от внезапной угрозы, а молодые пауки таким способом расселяются на новые территории).
Каждый из типов паутины производится специальными железами.
Паутина, используемая для ловли добычи, состоит из нескольких типов нитей (рис. 1): каркасной, радиальной, ловчей и вспомогательной. Наибольший интерес ученых вызывает каркасная нить: она имеет одновременно высокую прочность и высокую эластичность — именно это сочетание свойств является уникальным. Предельное напряжение на разрыв каркасной нити паука Araneus diadematus составляет 1,1–2,7. Для сравнения: предел прочности стали 0,4–1,5 ГПа, человеческого волоса — 0,25 ГПа. В то же время каркасная нить способна растягиваться на 30–35%, а большинство металлов выдерживают деформацию не более 10–20%.
Представим себе летящее насекомое, которое ударяется в натянутую паутину. При этом нить паутины должна растянуться так, чтобы кинетическая энергия летящего насекомого превратилась в тепло. Если бы паутина запасала полученную энергию в виде энергии упругой деформации, то насекомое отскочило бы от паутины, как от батута.
Важное свойство паутины состоит в том, что она выделяет очень большое количество теплоты при быстром растяжении и последующем сокращении: энергия, выделяемая в единице объема, составляет более 150 МДж/м3 (сталь выделяет — 6 МДж/м3). Это позволяет паутине эффективно рассеивать энергию удара и не слишком сильно растягиваться, когда в нее попадает жертва. Паутина или полимеры, обладающие аналогичными свойствами, могли бы стать идеальными материалами для легких бронежилетов.
В народной медицине есть такой рецепт: на рану или ссадину, чтобы остановить кровь, можно приложить паутину, аккуратно очистив ее от застрявших в ней насекомых и мелких веточек. Оказывается, паутина обладает кровеостанавливающим действием и ускоряет заживление поврежденной кожи. Хирурги и трансплантологи могли бы использовать ее в качестве материала для наложения швов, укрепления имплантантов и даже как заготовки для искусственных органов. С помощью паутины можно существенно улучшить механические свойства множества материалов, которые в настоящее время применяются в медицине.
Итак, паутина — необычный и очень перспективный материал. Какие же молекулярные механизмы отвечают за ее исключительные свойства?
Мы привыкли к тому, что молекулы — чрезвычайно маленькие объекты. Однако это не всегда так: вокруг нас широко распространены полимеры, которые имеют длинные молекулы, состоящие из одинаковых или похожих друг на друга звеньев. Все знают, что генетическая информация живого организма записана в длинных молекулах ДНК. Все держали в руках полиэтиленовые пакеты, состоящие из длинных переплетенных молекул полиэтилена. Молекулы полимеров могут достигать огромных размеров.
Например, масса одной молекулы ДНК человека порядка 1,9·1012 а.е.м. (однако это приблизительно в сто миллиардов раз больше, чем масса молекулы воды), длина каждой молекулы составляет несколько сантиметров, а общая длина всех молекул ДНК человека достигает 1011 км.
Важнейшим классом природных полимеров являются белки, они состоят из звеньев, которые называются аминокислотами.
Разные белки выполняют в живых организмах чрезвычайно разные функции: управляют химическими реакциями, используются в качестве строительного материала, для защиты и т. д.
Каркасная нить паутины состоит из двух белков, которые получили названия спидроинов 1 и 2 (от английского spider — паук). Спидроины — это длинные молекулы с массой от 120000 до 720000 а.е.м. У разных пауков аминокислотные последовательности спидроинов могут отличаться друг от друга, но все спидроины имеют общие черты. Если мысленно вытянуть длинную молекулу спидроина в прямую линию и посмотреть на последовательность аминокислот, то окажется, что она состоит из повторяющихся участков, похожих друг на друга (рис. 2). В молекуле чередуются два типа участков: относительно гидрофильные (те, которым энергетически выгодно контактировать с молекулами воды) и относительно гидрофобные (те, которые избегают контакта с водой). На концах каждой молекулы присутствуют два неповторяющихся гидрофильных участка, а гидрофобные участки состоят из множества повторов аминокислоты, называемой аланином.
Длинная молекула (например, белок, ДНК, синтетический полимер) может быть представлена как скомканная запутанная веревка. Растянуть ее не составляет труда, потому что петли внутри молекулы могут расправляться, требуя сравнительно небольшого усилия. Некоторые полимеры (например, резина) могут растягиваться на 500% своей начальной длины. Так что способность паутины (материала, состоящего из длинных молекул) деформироваться больше, чем металлы, не вызывает удивления.
Откуда же берется прочность паутины?
Чтобы понять это, важно проследить за процессом формирования нити. Внутри железы паука спидроины накапливаются в виде концентрированного раствора. Когда происходит формирование нити, этот раствор выходит из железы по узкому каналу, это способствует вытягиванию молекул и ориентации их вдоль направления вытяжки, а соответствующие химические изменения вызывают слипание молекул. Фрагменты молекул, состоящие из аланинов, соединяются вместе и образуют упорядоченную структуру, похожую на кристалл (рис.
3). Внутри такой структуры фрагменты уложены параллельно друг другу и сцеплены между собой водородными связями. Именно эти участки, сцепленные между собой, и обеспечивают прочность волокна. Типичный размер таких плотно упакованных участков молекул составляет несколько нанометров. Расположенные вокруг них гидрофильные участки оказываются неупорядоченно свернутыми, похожими на скомканные веревки, они могут расправляться и этим обеспечивать растяжение паутины.
Многие композиционные материалы, например армированные пластмассы, устроены по тому же принципу, что и каркасная нить: в относительно мягком и подвижном матриксе, который дает возможность деформации, находятся малые по размерам твердые области, которые делают материал прочным. Хотя материаловеды давно работают с подобными системами, созданные человеком композиты только начинают приближаться к паутине по своим свойствам.
Любопытно, что, когда паутина намокает, она сильно сокращается (это явление получило название суперконтракции).
Это происходит потому, что молекулы воды проникают в волокно и делают неупорядоченные гидрофильные участки более подвижными. Если паутина растянулась и провисла от попадания насекомых, то во влажный или дождливый день она сокращается и при этом восстанавливает свою форму.
Отметим также интересную особенность формирования нити. Паук вытягивает паутину под действием собственного веса, но полученная паутина (диаметр нити приблизительно 1–10 мкм) обычно позволяет выдержать массу, в шесть раз большую массы самого паука. Если же увеличить вес паука, вращая его в центрифуге, он начинает выделять более толстую и более прочную, но менее жесткую паутину.
Когда заходит речь о применении паутины, возникает вопрос о том, как ее получать в промышленных количествах. В мире существуют установки для «доения» пауков, которые вытягивают нити и наматывают их на специальные катушки. Однако такой способ неэффективен: чтобы накопить 500 г паутины, необходимо 27 тысяч средних пауков. И тут на помощь исследователям приходит биоинженерия.
Современные технологии позволяют внедрить гены, кодирующие белки паутины, в различные живые организмы, например в бактерии или дрожжи. Эти генетически модифицированные организмы становятся источниками искусственной паутины. Белки, полученные методами генной инженерии, называются рекомбинантными. Отметим, что обычно рекомбинантные спидроины гораздо меньше природных, но структура молекулы (чередование гидрофильных и гидрофобных участков) остается неизменной.
Есть уверенность, что искусственная паутина по своим свойствам не будет уступать природной и найдет свое практическое применение как прочный и экологически чистый материал. В России исследованиями свойств паутины совместно занимаются несколько научных групп из различных институтов. Получение рекомбинантной паутины осуществляют в Государственном научно-исследовательском институте генетики и селекции промышленных микроорганизмов, физические и химические свойства белков исследуют на кафедре биоинженерии биологического факультета МГУ им.
М. В. Ломоносова, изделия из белков паутины формируют в Институте биоорганической химии РАН, их медицинскими применениями занимаются в Институте трансплантологии и искусственных органов.
Разрушитель мифов: шелк паука так же прочен, как сталь? Это не так просто
Вы, наверное, слышали, что шелк паука так же прочен, как сталь, что является впечатляющим достижением для чего-то, созданного таким маленьким животным. И хотя это может быть правдой, это не совсем вся история.
Прочность измеряется на основе нескольких свойств. Как сообщает Phys.org, шелк паука так же прочен, как сталь, а в некоторых случаях даже прочнее, когда речь идет о прочности на растяжение, которая измеряет величину нагрузки, которую материал способен выдержать, прежде чем сломается. Прочность на растяжение измеряется силой на единицу площади или ГПа. Прочность на растяжение стали колеблется от 0,2 ГПа до 2 ГПа, в то время как прочность на растяжение некоторых видов паутины составляет около 1 ГПа.
Поскольку шелк паука намного меньше стали, трудно полностью понять сравнение с точки зрения прочности. Самолеты и небоскребы — объекты, рассчитанные на то, чтобы противостоять множеству различных элементов и сил, — сделаны из стали и других прочных металлов, поэтому сложно представить что-то настолько несущественное, как паутина, более прочным. Однако, по словам Трихаггера, с точки зрения отношения прочности к плотности паутина намного прочнее стали. По сути, это означает, что нить шелка намного прочнее для своего размера, чем стальная балка.
Но предел прочности при растяжении и отношение прочности к плотности – не единственные свойства силы, а когда дело доходит до других, паучий шелк не сравнится со сталью. Например, жесткость — еще одно важное свойство прочности, измеряющее способность материала упруго изменять форму при приложении силы. По данным Phys.org, в этом случае шелк паука далеко не такой жесткий, как сталь.
Тем не менее справедливо будет сказать, что шелк паука прочнее стали, по крайней мере, в некоторых отношениях.
Прочность стали определяется ее конструкцией. Нить паучьего шелка состоит из множества более мелких нитей — тысяч, если быть точным, сообщает журнал Science. Это еще более впечатляет, если учесть, что нить паучьего шелка в 1000 раз тоньше, чем прядь человеческого волоса. Это означает, что эти тысячи более мелких нитей, называемых нанонитями, должны быть бесконечно малы — каждая всего лишь 20 миллионных миллиметра в диаметре.
Еще одной ключевой особенностью шелка паука является его эластичность. Как сообщает Treehugger, некоторый шелк можно растянуть в четыре раза по сравнению с первоначальной длиной, не порвав его. Что еще более впечатляет, он может сохранять свою эластичность при экстремально низких температурах, вплоть до 40 градусов ниже нуля по Фаренгейту.
Однако не весь паучий шелк одинаков, и некоторые виды шелка прочнее других. Разные пауки производят разные виды шелка, и многие пауки производят много разных видов шелка — целых семь разных видов — для разных целей, сообщает Scientific American.
Некоторые виды шелка прочнее или эластичнее других, хотя все они прочнее других натуральных волокон и материалов.
Самое известное использование шелка паука — это создание сложной паутины, хотя не все пауки плетут паутину. Пауки также используют шелк, чтобы строить гнезда и коконы, заворачивать свою добычу, а также в качестве якорных или тянущих тросов, которые они оставляют за собой во время движения, сообщает Science. По словам Трихаггера, некоторые пауки даже едят шелк из своих старых сетей, и их тела могут перерабатывать белки из шелка, чтобы сделать новый шелк, когда они плетут новую паутину.
Почему паучью нить так легко сломать, хотя она якобы прочнее стали?
CC BY-ND
Любопытные дети — это сериал от The Conversation, который дает детям всех возрастов возможность получить ответы на свои вопросы о мире от экспертов. Приветствуются любые вопросы: вы или взрослый можете присылать их вместе с вашим именем, возрастом и городом, в котором вы живете, на адресcuriouskids@theconversation.
com. Мы не сможем ответить на все вопросы, но постараемся.
Как так легко сломать паутину, если она прочнее стали? — Джордж, 10 лет, Хезерсетт, Великобритания.
Спасибо за вопрос, Джордж. Ответ прост: паутина легко рвется, потому что она очень, очень тонкая. Нить в паутине садового паука имеет диаметр всего 0,003 миллиметра — это более чем в 20 раз тоньше волоса с вашей головы.
Но есть еще кое-что, что нам нужно распутать, чтобы увидеть, насколько прочнее паучий шелк по сравнению со сталью.
Сталь — это материал, называемый сплавом, что означает смесь металлов. Основным металлом стали является железо. Другие металлы добавляются к железу, в зависимости от того, что вы хотите, чтобы сталь делала.
Например, ножи и вилки сделаны из нержавеющей стали, которая не ржавеет. Для этого нужно смешать железо и хром.
Мост через гавань Сиднея сделан из стали.
SydneyLens/Flickr.
, CC BY-NC-ND
Но, может быть, вам нужна действительно прочная сталь, чтобы из нее можно было строить здания и краны. Затем вам нужно будет смешать железо с различными металлами, включая титан и ванадий.
Но есть и более прочные стали. Ваш велосипед может быть изготовлен из чего-то, что называется мартенситно-стареющей сталью, из железа, никеля, кобальта, молибдена, титана и алюминия.
Разный шелк пауков
Шелк — это материал, который сильно отличается от стали. На самом деле это белок — тот же материал, из которого сделаны ваши волосы и ногти.
Мы используем сталь для разных работ, а пауки используют шелк для самых разных вещей. И точно так же, как наша сталь, паукам нужны разные шелка для разных работ.
Давайте посмотрим на обыкновенного европейского садового паука: это милое существо плетет красивую круглую паутину, используя два типа шелка.
Сладкая штучка.
Рюдигер Стен/Flickr., CC BY-SA
Спицы паутины изготовлены из шелка драглайна.
Он прочный и слегка эластичный, а значит, годится для изготовления основных опор паутины.
Остальная часть паутины сделана из флагового шелка, который менее прочен, но очень эластичен, поэтому он действительно хорошо поглощает удары, когда большая муха врезается в паутину.
Но лучшим строителем мира пауков является паук Дарвина. Он производит огромную паутину размером с кухонный стол.
Иногда их подвешивают к деревьям на шелковых нитях, которые тянутся прямо через реки. Чтобы убедиться, что эти паутины остаются на месте, паук использует сверхпрочные шелковые нити.
Паутина дарвиновского корового паука тянется через реку.
Инги Агнарссон, Матьяж Кантнер, Тодд А. Блэкледж/Wikimedia Commons., CC BY
Итак, я сделал некоторые расчеты, основываясь на том, что ученые знают о прочности этих разных материалов, чтобы сравнить сталь с паутиной и посмотреть, насколько они прочны.
Победившая паутина
Представьте, что у нас есть нить из каждого материала толщиной около одного миллиметра — это примерно ширина булавочной головки.