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.

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.

Как пауки производят паутину

Большое количество паутинных желез располагается в брюшной полости паука. Протоки таких желез открываются в мельчайшие прядильные трубочки, имеющие выход на концевую часть специальных паутинных бородавок. Количество прядильных трубочек может варьироваться в зависимости от вида паука. К примеру, очень распространённый паук-крестовик имеет их пять сотен.

Это интересно! В паутинных железах вырабатывает жидкий и вязкий белковый секрет, особенностью которого является способность практически мгновенно затвердевать под воздействием воздуха и превращаться в тонкие длинные нити.

Процесс прядения паутины заключается в прижимании паутинных бородавок к субстрату. Первая, незначительная часть выделившегося секрета застывает и надёжно приклеивается к субстрату, после чего паук вытягивает вязкий секрет с помощью задних ног. В процессе удаления паука от места прикрепления паутины, белковый секрет растягивается и быстро затвердевает. На сегодняшний день известно и достаточно хорошо изучено семь разных видов паутинных желез, которыми производятся разные типы нитей.

Состав и свойства паутины

Паутина паука является белковым соединением, в состав которого также входят глицин, аланин и серин. Внутренняя часть образуемых нитей представлена жесткими белковыми кристаллами, размер которых не превышает несколько нанометров. Кристаллы объединяются при помощи очень эластичных белковых связок.

Это интересно! Необычным свойством паутины является её внутренняя шарнирность. При подвешивании на паутинное волокно, любой предмет можно неограниченное количество раз вращать, без образования перекручивания.

Первичные нити переплетаются пауком и становятся более толстым паутинным волокном. Показатели прочности паутины приближены к аналогичным параметрам нейлона, но значительно прочнее, чем секрет тутового шелкопряда. В зависимости от того, с какой целью предполагается использовать паутину, пауком может выделяться не только липкая, но также и сухая нить, толщина которой значительно варьируется.

Функции паутины и ее назначение

Паутина используется пауками в самых разных целях. Сотканное из прочной и надёжной паутины убежище позволяет создавать для членистоногих наиболее благоприятные микроклиматические условия, а также служит хорошим укрытием, как от непогоды, так и от многочисленных природных врагов. Многие членистоногие паукообразные способны оплетать своей паутиной стенки своей норки или делать из неё своеобразную дверку в жилище.

Это интересно! Некоторые виды используют паутину в виде транспорта, а молодые паучки покидают родительское гнездо на длинных паутинных нитях, которые подхватываются ветром и переносятся на значительные расстояния.

Наиболее часто пауки используют паутину для плетения липких ловчих сетей, что позволяет эффективно ловить добычу и обеспечивать членистоногому питание. Не менее известны так называемые яйцевые коконы из паутины, внутри которых появляются молодые паучки. Некоторые виды плетут паутинные страховочные нити, защищающие членистоногое от падения в процессе прыжка и для перемещения или ловли добычи.

Паутина для размножения

Для периода размножения характерно выделение самкой паутинных нитей, которые позволяют найти оптимальную пару для спаривания. Например, самцы-тенетники способны сооружать рядом с сетями, созданными самками, миниатюрные по размерам брачные паутинные кружева, в которые и заманиваются паучихи.

Самцы пауков-крестовиков ловко присоединяют свои горизонтальные паутины к радиально расположенным нитям ловчих сетей, сделанных самками. Нанося по паутине сильные удары конечностями, самцы вызывают колебания сети и, таким необычным образом, приглашают самок на спаривание.

Паутина для ловли добычи

С целью поимки своей добычи многие виды пауков плетут специальные ловчие сети, но для некоторых видов характерно использование своеобразных паутинных арканов и нитей. Пауки, которые скрываются в жилищах-норах, расставляют сигнальные нити, которые тянутся от брюшка членистоногого до самого входа в его убежище. При попадании добычи в ловушку, колебание сигнальной нити моментально передаётся пауку.

Липкие ловчие сети-спирали строятся немного по другому принципу. При её создании паук начинает плетение с края и постепенно продвигается к центральной части. В этом случае обязательно сохраняется одинаковый промежуток между всеми витками, в результате чего получается так называемая «спираль Архимеда». Нити на вспомогательной спирали специально обкусываются пауком.

Что такое паутина?

Пауки одни из древнейших обитателей планеты, из-за маленького размера и специфического внешнего вида их ошибочно считают насекомыми. На самом деле это представители отряда членистоногих. Тело паука имеет восемь ног и два отдела:

В отличие от насекомых у них нет усиков и шеи, отделяющей голову от груди. Брюшко арахнида своеобразная фабрика по производству паутины. В нем расположены железы, вырабатывающие секрет, состоящий из белка, обогащенного аланином, придающим прочность, и глицином, отвечающим за эластичность. По химической формуле паутина близка к шелку насекомых. Внутри желез секрет находится в жидком состоянии, а на воздухе твердеет.

Информация. Шелк гусениц тутового шелкопряда и паутина имеют схожий состав – на 50% это белок фиброин. Ученые выяснили, что нить паука значительно прочнее секрета гусениц. Это объясняется особенностью формирования волокна

Откуда берется паутина у паука?

На брюшке членистоногого расположены выросты – паутинные бородавки. В их верхней части раскрываются каналы паутинных желез, формирующих нити. Насчитывается 6 типов желез, производящих шелк для разных целей (перемещение, опускание, опутывание добычи, хранение яиц). У одного вида все эти органы одновременно не встречаются, обычно у особи 1-4 пары желез.

На поверхности бородавок насчитывается до 500 прядильных трубочек, подающих белковый секрет. Паук прядет паутину следующим образом:

• паутинные бородавки прижимаются к основанию (дерево, трава, стена и т.д.),
• небольшое количество белка прилипает к выбранному месту,
• паук отходит, вытягивая нить задними лапками,
• для основной работы используются длинные и гибкие передние лапки, с их помощью создается каркас из сухих нитей,
• завершающий этап изготовления сети – формирование липких спиралей.

Благодаря наблюдениям ученых стало известно, откуда у паука выходит паутина. Ее выпускают подвижные парные бородавки на брюшке.

Интересный факт. Паутина очень легкая, вес нити, обмотавшей Землю по экватору, составил бы всего 450 г.

Как строится ловчая сеть

Ветер – лучший помощник паука в строительстве. Достав тонкую нить из бородавок, арахнид подставляет ее под воздушный поток, который относит застывший шелк на значительное расстояние. Это секретный способ, как паук плетет паутину между деревьями. Паутинка легко цепляется к веткам деревьев, используя ее в качестве каната, арахнид передвигается с места на место.

В структуре паутины прослеживается определенная схема. Ее основу составляет каркас из прочных и толстых нитей, расположенных в виде лучей, расходящихся из одной точки. Начиная с внешней части, паук создает круги, постепенно двигаясь к центру. Удивительно, что без всяких приспособлений он выдерживает одинаковое расстояние между каждым кругом. Эта часть волокон липкая, именно в ней будут застревать насекомые.

Интересный факт. Паук поедает собственную паутину. Ученые предлагают два объяснения этому факту – таким образом восполняется потеря белка при ремонте ловчей сети или паук просто пьет воду, повисшую на шелковых нитях.

Сложность рисунка паутины зависит от вида паукообразного. Низшие членистоногие строят простые сети, а высшие – сложные геометрические схемы. Подсчитано, что самка крестовика строит ловушку из 39 радиусов и 39 спиралей. Кроме гладких радиальных нитей, вспомогательной и ловчей спирали существуют сигнальные нити. Эти элементы улавливают и передают хищнику вибрацию попавшейся добычи. Если попадается посторонний предмет (ветка, листок), маленький хозяин отделяет его и выбрасывает, затем восстанавливает сеть.

Крупные древесные паукообразные натягивают ловушки диаметром до 1 м. В них попадают не только насекомые, но и мелкие птицы.

Сколько времени паук плетет паутину?

На создание ажурной ловушки для насекомых хищник тратит от получаса до 2-3 часов. Время его работы зависит от погодных условий и запланированных размеров сети. Некоторые виды плетут шелковые нити ежедневно, делая это утром или вечером, в зависимости от образа жизни. Один из факторов, за сколько паук плетет паутину, ее вид – плоская или объемная. Плоская – это привычный всем вариант радиальных нитей и спиралей, а объемная – ловушка из комка волокон.

Ловля добычи

Все пауки хищники, убивающие свою жертву ядом. При этом некоторые особи имеют хрупкое телосложение и сами могут стать жертвой насекомых, например, ос. Для охоты им нужно убежище и ловушка. Липкие волокна выполняют эту функцию. Попавшую в сеть добычу они опутывают коконом из нитей и оставляют, пока впрыснутый фермент не приведет ее в жидкое состояние.

Шелковые волокна паукообразных тоньше человеческого волоса, но их удельная прочность на разрыв сравнима со стальной проволокой.

Размножение

В период спаривания самцы прикрепляют к паутине самки собственные нити. Нанося ритмичные удары по шелковым волокнам, они сообщают потенциальной партнерше о своих намерениях. Принимающая ухаживания самка спускается на территорию самца для спаривания. В некоторых видах инициатором поиска партнера является самка. Она выделяет нить с феромонами, благодаря которым ее находит паук.

Дом для потомства

Из шелкового паутинного секрета плетутся коконы для яиц. Их количество в зависимости от вида членистоногих составляет 2-1000 штук. Паутинные мешочки с яйцами самки подвешивают в безопасном месте. Оболочка кокона достаточно прочна, она состоит из нескольких слоев и пропитывается жидким секретом.

В своей норке паукообразные оплетают стенки паутиной. Это помогает создать благоприятный микроклимат, служит защитой от непогоды и природных врагов.

Перемещение

Один из ответов, зачем паук плетет паутину – он использует нити как транспортное средство. Чтобы перемещаться между деревьями и кустами, быстро пониматься и опускаться ему необходимо прочные волокна. Для полетов на дальние расстояния пауки забираются на возвышения, выпускают быстро застывающую паутину, а затем с порывом ветра уносятся на несколько километров. Чаще всего путешествия совершаются в теплые ясные дни бабьего лета.

Почему паук не прилипает к своей паутине?

Чтобы не попасть в собственную ловушку, паук делает несколько сухих нитей для передвижения. Прекрасно ориентируюсь в хитросплетениях сетей, он безопасно подбирается к прилипшей добыче. Обычно в центре ловчей сети остается безопасный участок, где хищник поджидает добычу.

Интерес ученых к взаимодействию паукообразных с их охотничьими ловушками появился более 100 лет назад. Первоначально было выдвинуто предположение о наличии на их лапках специальной смазки, предотвращающей прилипание. Подтверждений теории так и не нашли. Съемка специальной камерой движения ног паука по волокнам из застывшего секрета дал объяснение механизму соприкосновения.

Паук не прилипает к своей паутине по трем факторам:

• множество упругих волосков на его лапках уменьшает площадь соприкосновения с липкой спиралью,
• кончики паучьих ног покрыты маслянистой жидкостью,
• перемещение происходит особым образом.

Каков секрет строения лапок помогает арахнидам избежать прилипания? На каждой ноге паука есть два опорных когтя, которыми он цепляется за поверхность, и один гибкий коготь. При движении он прижимает нити к гибким волоскам на лапке. Когда паук поднимает лапку, коготь распрямляется, а волоски отталкивают паутину.

Другое объяснение – отсутствие непосредственного контакта ноги паукообразного и липких капель. Они попадают на волоски лапки, а затем легко стекают обратно на нить. Какие бы теории не рассматривали зоологи, неизменным остается тот факт, что пауки не становятся узниками собственных липких ловушек.

Плести паутину могут и другие паукообразные – клещи и ложноскорпионы. Но их сети не сравнятся по прочности и искусному переплетению с произведениями настоящих мастеров – пауков. Современная наука пока не в состоянии воспроизвести паутину синтетическим методом. Технология изготовления паутинного шелка остается одной из загадок природы.

Паутина для страховки

Пауками-скакунчиками используются паутинные нити в качестве страховки при нападении на жертву. Пауками прикрепляется страховочная нить паутины к любому предмету, после чего членистоногое прыгает на намеченную добычу. Эта же нить, прикрепленная к субстрату, используется для ночлега и страхует членистоногое от нападения всевозможных природных врагов.

Это интересно! Южнорусские тарантулы, покидая своё жилище-нору, тянут за собой тончайшую паутинную нить, что позволяет быстро найти при необходимости обратную дорогу или вход в убежище.

Паутина как транспорт

К осени некоторые виды пауков выводят молодь. Выжившие в процессе взросления молодые паучки стараются взбираться как можно выше, используя с этой целью деревья, высокорослые кустарники, крыши домов и другие строения, заборы. Дождавшись достаточно сильного ветра, маленький паучок выпускает тонкую и длинную паутинку.

От длины такой транспортной паутины напрямую зависит расстояние перемещения. Дождавшись хорошего натяжения паутинки, паук откусывает её конец, и очень быстро взлетает. Как правило, «путешественники» способны пролететь на паутине несколько километров.

Пауками-серебрянками паутина применяется в качестве водного транспорта. Для охоты в водоёмах этому пауку требуется дыхание атмосферным воздухом. При спуске на дно, членистоногое способно захватывать порцию воздуха, а на водных растениях из паутины сооружается своеобразный воздушный колокол, который удерживает воздух и позволяет пауку охотиться на свою добычу.

Круглая паутинка

Такой вариант паутины смотрится необыкновенно красиво, но является смертоносной конструкцией. Как правило, круглая паутина подвешивается в вертикальном положении и имеет часть клейких нитей, что не позволяет выбраться из неё насекомому. Плетение такой сети осуществляется в определенной последовательности. На первом этапе изготавливается внешняя рамка, после чего выполняется прокладка радиальных волокон от центральной части к краям. Спиральные нити вплетаются в самом конце.

Это интересно! Круглая паутина средних размеров имеет более тысячи точечных соединений, а для её изготовления требуется более двадцати метров паутинного шёлка, что делает конструкцию не только очень легкой, но и невероятно прочной.

Информация о наличии добычи в такой ловушке поступает к «охотнику» посредством специально вплетаемых сигнальных нитей. Появление каких-либо разрывов в такой паутине вынуждает паука заниматься плетением новой сети. Старая паутина, как правило, поедается членистоногими.

Прочная паутина

Такой вид паутины присущ для пауков-нефилов, широко распространённых на территории Юго-Восточной Азии. Построенные ими ловчие сети часто достигают в диаметре пару метров, а их прочность позволяет легко выдерживать вес взрослого человека.

Такие пауки ловят в свою прочную паутину не только обычных насекомых, но и некоторых мелких птиц. Как показывают результаты исследований, пауками такого вида может вырабатываться порядка трёх сотен метров паутинного шёлка ежедневно.

Паутина-гамак

Маленькие, круглые «пауки-монетки» плетут одну из самых сложных паутинных конструкций. Такими членистоногими ткутся плоские сети, на которых паук располагается и ожидает свою добычу. От основной сети вверх и вниз отходят специальные вертикальные нити, которые прикрепляются к расположенной поблизости растительности. Любые летающие насекомые быстро запутываются в вертикально сплетенных нитях, после чего падают на плоскую паутину-гамак.

Использование человеком

Человечеством скопировано множество конструктивных природных находок, но плетение паутины относится к очень сложным естественным процессам, и качественно воспроизвести его на данный момент, так и не удалось. В настоящее время ученые пытаются воссоздать природный процесс при помощи биотехнологии, основанной на выделении генов, которые ответственны за воспроизводство белков, входящих в состав паутины. Такие гены внедряются в клеточный состав бактерий или дрожжей, но моделирование самого процесса прядения на сегодняшний день является невозможным.

Редактор

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Паутина — одна из удивительных технологических находок природы. Статья рассказывает о возможностях применения паутины для производства медицинских повязок. Автор делится своим опытом по повышению «производительности» пауков и подбору оптимальных условий их содержания.

Обратите внимание!

Эта работа опубликована в номинации «Своя работа» конкурса «био/мол/текст»-2015.

От редакции

«Биомолекула» высоко ценит любознательность и интерес к изобретательству. Уже второй раз в конкурсе «био/мол/текст» изобретатель Юрий Шевнин делится с аудиторией нашего портала своими идеями и находками. Редакции импонирует творческий подход автора и желание делиться знаниями с окружающими, однако необходимо иметь в виду, что данная статья не является строгим научным исследованием, и описываемые в ней новые медицинские повязки еще требуют проверки на возможность применения в клинической практике.

Спонсором номинации «Лучшая статья о механизмах старения и долголетия» является фонд «Наука за продление жизни». Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon.

Спонсоры конкурса: Лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и Студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science.

Я вошел в следующую комнату, где стены и потолок были сплошь затянуты паутиной, за исключением узкого прохода для изобретателя. Едва я показался в дверях, как последний громко закричал, чтобы я был осторожнее и не порвал его паутины. Он стал жаловаться на роковую ошибку, которую совершал до сих пор мир, пользуясь работой шелковичных червей, тогда как у нас всегда под рукой множество насекомых, бесконечно превосходящих упомянутых червей, ибо они одарены качествами не только прядильщиков, но и ткачей. Далее изобретатель указал, что утилизация пауков совершенно избавит от расходов на окраску тканей, и я вполне убедился в этом, когда он показал нам множество красивых разноцветных мух, которыми кормил пауков и цвет которых, по его уверениям, необходимо должен передаваться изготовленной пауком пряже. И так как у него были мухи всех цветов, то он надеялся удовлетворить вкусам каждого, как только ему удастся найти для мух подходящую пищу в виде камеди, масла и других клейких веществ и придать, таким образом, большую плотность и прочность нитям паутины.

Д. Свифт

Путешествия Гулливера. Путешествие в Лапуту (1725 год)

Медицинские повязки из паутины

В связи с тем, что донорство является дорогим, имеющим большое количество ограничений направлением медицины, ученые и врачи всего мира трудятся над разработкой альтернативных методов восстановления повреждений организма человека. В то же время широкое распространение лекарственно устойчивых форм микроорганизмов, наличие у антибиотиков и химиопрепаратов токсических, аллергенных и других побочных свойств диктуют необходимость поиска новых нетоксичных препаратов с антимикробным действием и стимулирующим влиянием на восстановительные процессы. Подобными свойствами можно наделить, например, противоожоговые повязки и бинты. Ожоги — одно из самых распространенных в мире травматических поражений. В России каждый год регистрируется более 600 тыс. ожогов. По количеству смертельных исходов ожоги уступают только травмам, полученным в автомобильных авариях.

* — Про некоторые другие замечательные свойства паутины «Биомолекула» рассказывала ранее: «„Умный“ клей из паутины» . — Ред.

Рисунок 1. Паутина Linothele megatheloides под микроскопом

По данным электронной микроскопии, матриксы из фиброина шелка и рекомбинантного спидроина (белка паутины) различаются параметрами пор. Стенки пор в матриксах из фиброина имеют более однородную структуру с чешуйчатой шероховатой поверхностью, в то время как матриксы из спидроина обладают более рыхлой конструкцией с перфорированной поверхностью. Внутренняя нанопористая структура матрикса из рекомбинантного спидроина объясняет его способность формировать более благоприятную микросреду для регенерации тканей в организме. Взаимосвязанность структур является необходимым условием для равномерного клеточного распределения и эффективного прорастания ткани in vivo, так как способствует активному газообмену, доставке питательных веществ и правильному метаболизму .

Об этом удивительном свойстве паутины было известно давно. В народной медицине есть такой рецепт: к ране или ссадине, чтобы остановить кровь, можно приложить паутину, аккуратно очистив ее от застрявших насекомых и мелких веточек.

Паутина обладает кровоостанавливающим действием и ускоряет заживление поврежденной кожи. Хирурги и трансплантологи могли бы использовать ее в качестве материала для наложения швов и укрепления имплантатов, а также как каркас-основу для выращивания искусственных органов. Например, если пропитать раствором стволовых клеток сетчатый каркас из паутины, они быстро приживутся на нём, к клеткам протянутся сосуды и нервы. Сама же паутина со временем бесследно рассосется. С помощью паутины можно существенно улучшить свойства множества материалов, которые в настоящее время применяются в медицине. Например, паутина имеет электростатический заряд, который помогает паукам притягивать добычу. Эту заряженность паутины можно использовать и в составе медицинских повязок. Паутина заряжена отрицательно, а поврежденный участок тела — положительно. Таким образом, при взаимодействии раны с паутиной устанавливается электробаланс, что положительно сказывается на процессе заживления. Повязки с паутиной за счет электростатического взаимодействия с раной вытягивают из нее микроорганизмы и удерживают их внутри самой повязки, не давая размножаться.

В состав паутины входят три вещества, которые способствуют ее долговечности: пирролидин, гидрофосфат калия и нитрат калия. Пирролидин сильно впитывает воду, это вещество предотвращает засыхание нитей паутины. Гидрофосфат калия делает паутину кислотной и предотвращает грибковый и бактериальный рост. Низкий рН вызывает денатурацию белков (делает их нерастворимыми). Нитрат калия сдерживает рост бактерий и грибков.

Повязка из паутины обеспечивает отток раневого экссудата и микроорганизмов от поверхности раны, угнетает патогенную микрофлору, оказывает противоотёчное и противовоспалительное действия. Пропитанная анестетиком, она еще и обезболит, создав оптимальные условия для протекания процессов заживления.

История производства паутины

Главная проблема для широкого применения продуктов, содержащих паутину — сложность ее получения в промышленных масштабах. На протяжении сотен лет в Европе люди пытались построить фермы для получения паучьего шелка. В марте 1665 года луга и заборы вблизи немецкого Мерзебурга покрылись неимоверным количеством паутины каких-то пауков, и из нее женщины окрестных селений делали себе ленты и прочие украшения.

В 1709 году Правительство Франции попросило естествоиспытателя Рене Антуана де Реомюра найти замену китайскому шелку и попытаться применить паутину для изготовления одежды. Он собрал паутину из паучьих коконов и пробовал смастерить перчатки и чулки, но через некоторое время отказался от этой затеи из-за недостатка материала даже для того, чтобы произвести одну пару перчаток. Он подсчитал: надобно обработать 522–663 паука, чтобы получить один фунт паутинного шелка. А для промышленного производства потребуются полчища пауков и тучи мух для их пропитания — больше, чем летает над всей Францией. «Однако, — писал Реомюр, — может быть, со временем удастся найти пауков, которые дают больше шелка, чем те, какие обычно встречаются в нашем государстве».

Таких пауков нашли — это были пауки рода Nephila. Недавно из их паутины соткали накидку весом более килограмма . Там, где обитают эти замечательные пауки — в Бразилии и на Мадагаскаре, — местные жители используют паутину для изготовления пряжи, платков, накидок и сачков, собирая с кустов или разматывая яйцевые коконы. Иногда нить тянут прямо из паука, которого сажают в коробочку — из нее торчит лишь кончик его брюшка с паутинными бородавками. Из бородавок и вытягивают нити паутины.

Разными методами и от разных пауков экспериментаторы получали, например, нити такой длины: 1) за два часа от 22 пауков — пять километров, 2) за несколько часов от одного паука — 450 и 675 метров, 3) за девять «размоток» одного паука в течение 27 дней — 3060 метров. Аббат Камбуэ исследовал возможности мадагаскарского паука Goleba punctata: он так усовершенствовал свое дело, что живых пауков в маленьких выдвижных ящичках «подключал» прямо к ткацкому станку особого образца. Станок тянул из пауков нити и тут же ткал из них тончайшую ткань. Пауков Goleba punctata пробовали акклиматизировать во Франции и в России, но из этого ничего не вышло. В широкое производство паутина Nephila едва ли когда-нибудь поступит: для содержания Nephila или крестовиков нужны специальные фермы, хотя летом их можно содержать на лоджии или балконе. Для решения этой многовековой задачи необходим современный комплексный подход и создание паукам и насекомым оптимальных условий, максимально приближенных к природным.

Повышение выработки паутины

Рисунок 7. Дизайн фермы по выращиванию пауков Linothele megatheloides.

Чтобы увеличить выработку паутины и исключить болезни живого корма (тараканов и сверчков), насекомые получают добавку к питанию в виде питательной среды — дополнительного источника белка и витаминов, содержащего мицелиальную биомассу отходов пенициллиновых и стрептомициновых производств, а также обездрожженную барду — из отходов производства пивных дрожжей. Питательная среда хранится до двух лет при температуре +5 °С. Для питания насекомых мелко нарезанную морковь и капусту вываливают в измельченной питательной среде. На таком корме тараканы и сверчки не болеют, быстро растут и размножаются. Пауки при этом увеличивают выработку паутины на 60%. Применение мицелиального питания позволяет стимулировать размножение пауков и получать паутину в максимально возможных количествах. Работы по поиску пищевых добавок для увеличения разнообразия питания пауков будут продолжены. Для создания фермы по сбору паутины предлагается дизайн-проект в виде круглого шатра диаметром 12 м с покрытием, работающим на растяжение, аналогично работе паутины .

С развитием этого экологичного способа создания медицинских повязок и бинтов возможны эксперименты по выведению более продуктивных гибридов пауков семейства Dipluridae. Внутривидовая гибридизация, селекция и специальное питание в комфортных условиях не исключают генетических экспериментов по увеличению размеров пауков. Пока этим никто не занимается, а в обществе индивидуальных разводчиков пауков эта тема — табу.

Производить молоко с помощью грибов и бактерий возможно — только зачем, когда есть коровы? Паутина по структуре гораздо сложнее белковой структуры молока. Поэтому все поиски синтетических аналогов паутины могут затянуться на время эволюции пауков. Новые виды, полученные путем генетической модификации, и селекционная работа с семейством Dipluridae позволят увеличить размер пауков и их паутинную продуктивность для производства одежды. Паутину можно обрабатывать силиконом и получать ткань для верхней одежды с уникальными свойствами. Такая ткань будет стоить не дороже шелка.

Заключение

Описанная исследовательская работа создает основу нового вида животноводства. На этой основе возможно масштабировать производство паутины по низкой цене, а значит, коммерциализировать его. Потребность рынка в биорезорбируемых раневых покрытиях составляет 400 тыс. дм 2 /год. Прогнозируемая ёмкость рынка в данном сегменте $150 млн .

Масштабировать проект можно как увеличением производства, так и созданием мини-ферм по производству паутины. Никакого сложного оборудования, высоких температур, высокого давления и токсичных материалов для такого варианта технологии не требуется. В настоящее время, например, пчеловодством занимаются около 5 тыс. хозяйств и 300 тыс. пчеловодов-любителей, фермеров и индивидуальных предпринимателей. Мёд могут употреблять не все, а медицинские повязки или пластыри с паутиной пригодятся всем. Пока технология будет развиваться и сертифицироваться, можно предложить всем желающим самим выращивать пауков и собирать паутину. Для стерилизации можно использовать ультрафиолетовую лампу. Чтобы обеспечить себя двумя квадратными метрами паутины, потребуются один контейнер с самкой Linothele megatheloides и два месяца. Самка Linothele megatheloides живет 10 лет. На садовом участке можно поставить утепленный паучатник размером 3 на 6 метров с двумя помещениями . В одном можно заготавливать сырье, а в другом делать нити из паутины, ткать полотно и шить одежду. Отходов у такой мини-фабрики просто нет.

Рисунок 8. Мини-ферма по выращиванию Linothele megatheloides, сбору их паутины и изготовлению одежды на садовом участке.

Из старых оболочек, сброшенных пауком во время линьки, можно изготавливать сувениры и украшения, заливая их полимерной смолой. Из голов умерших пауков можно извлекать яд для производства лечебных препаратов* . Пострадавшие и больные получат новое лекарство — натуральную «кожу», — и каждый желающий сможет создать такое мини-производство.

Патентов и сертификатов на тему исследования автор получать не собирается, так как хочет, чтобы эти знания были доступны всем.

* — И этих препаратов (в частности, анальгетиков) может быть великое множество — несмотря на единственное число слова «яд»: в яде одного паука могут содержаться сотни токсичных компонентов абсолютно разной химической природы. О библиотеках паучьих токсинов рассказывает статья «Великому комбинатору и не снилось» . — Ред.

Секрет паутинных желез

Арахнологи выяснили, что паутина у паука берется из брюшка, откуда отходят паутинные железы. На нем 6 паутинных бородавок, на которых расположены прядильные трубочки. Их количество у каждого вида разное. Крестовик обладает 600 трубочками.

Секрет жидкой и вязкой консистенции состоит из белка. Он помогает волокну моментально застывать вод воздействием воздушного потока. Прядильные трубочки, откуда выделяется секрет, создают его в форме тончайшей нити. По химическому составу и физическим показателям она близка в шелку тутового шелкопряда, но паутинное волокно прочнее и лучше тянется.

Кристаллы из белка входят в ее химический состав. Когда хищник плетет паутину, он на ней свисает. Если предмет подвесить на паутинное волокно и вращать его бесконечное количество раз в одну и ту же сторону, оно не перекрутится и не создаст силы противодействия.

Паук, как плетет паутину, так и съедает ее вместе с жертвой за 1-2 часа. Одни ученые считают, что они так восполняют потерянный белок в организме, а другие – что членистоногое животное заинтересовано в воде, которая в виде росы или дождевых осадков остается на нитях.

Паутина за один час

Количество времени на плетение ажурной ловушки зависит от погодных условий и желаемых размеров. Паутина маленького размера в благоприятную погоду будет сплетена за час, при самых больших размерах паук потратит 2-3 часа. Существуют виды, плетущие волокно каждый день – утром или вечером. Это их основная деятельность, помимо охоты.

Процесс создания паутинного волокна:

• паук прижимает паутинные бородавки к необходимому месту (дерево, ветка, стена),
• секрет прилипает к основанию,
• хищник отходит от места прилипания и растягивает на ветру нить задними конечностями,
• работу хищник делает длинными передними конечностями, которыми формирует каркас из высохших нитей,
• после окончания плетения он формирует липкие спирали.

В построении ловушек важная роль отведена ветру. После того, как хищник достает нить, он растягивает ее под воздушным потоком. Ветер относит ее конец на незначительное расстояние. Хищник использует паутинную нить в качестве предмета перемещения. Этот способ помогает паукообразным строить ловушки между деревьями и в высокой траве.

Охота на жертву

Построение сетей для ловли добычи – одна из причин того, зачем у пауков возникает необходимость делать паутину. От структуры паутины зависит ее способность обездвижить жертву. Некоторые виды хищников настолько малы, что сами становятся жертвой крупных насекомых. Введенный пауком в тело жертвы яд действует не сразу. Чтобы жертва не сбежала, хищник берет ее и заворачивает в волокно, после чего ждет превращения внутренностей добычи в жидкое состояние.

Если сравнить паутину и волос человека, первая окажется более тонкой. Она сравнима по прочности со стальной проволокой.

Привлечение самцов

Некоторые виды паукообразных самок в период размножения выделяют паутинный секрет с феромонами. Эта «метка» привлекает самца. Сигнальные волокна формирует большинство видов, но у некоторых инициатива исходит от самца.

В поиске женской особи для размножения самцы плетут сперматическую сетку, на которую предварительно выделяют каплю семенной жидкости. Для привлечения самки особи мужского пола прикрепляют свои нити к паутине самки и приводят ее в движение. Так они сообщают ей о цели пребывания. Для спаривания самка отправляется в паутинное пространство самца.

Отвлечение внимания хищников

Кругопряды создают из сетей отвлекающие муляжи, склеивая паутиной листья и веточки. Они размещают «обманку» на своей паутине, чем стараются ввести хищника в заблуждение. Животное прячется недалеко от муляжа и дергает за нити, совершая ими обманные движения.

Впервые паук, способный делать своего двойника, обнаружен в лесах Амазонки, биологом Филом Торресом. Он наткнулся на паутину со странным, по его мнению, пауком. Поначалу биолог решил, что он мертвый, но, приблизившись, обнаружил, что это искусно сделанная копия из листьев. Создатель приманки поджидал добычу в другом месте.

Паутинный кокон

Из секрета паутинных желез хищники плетут коконы для потомства. Количество достигает 100 штук, в зависимости от плодовитости самки. Коконы с яйцами самки находятся в подвешенном состоянии, в безопасном месте. Оболочка кокона формируется из 2-3 слоев и пропитывается специальным секретом, склеивающим все его части.

При необходимости самки переносят кокон с яйцами на другое место. Он прикрепляется к прядильному органу на брюшке. Если посмотреть на кокон в приближенном виде, он напоминает мяч для гольфа. Яйца под плотным слоем волокна выпирают и образуют бугорки. Кокон для потомства используют даже те виды хищников, которые охотятся и никогда не плетут паутину.

Защитный механизм у входа в нору

Норные виды хищников выкапывают себе убежища в земле и оплетают паутиной его стенки. Они используют ее для укрепления грунта, что помогает защитить нору от неблагоприятных погодных условий и природных противников.

Функции паутины на этом не заканчиваются, членистоногое животное использует ее в качестве:

1. Средства перемещения. Подвижный хищник использует ее, как транспортное средство. С ее помощью он может быстро перемещаться между деревьями, кустами, листьями и даже зданиями. Благодаря использованию паутинных нитей, пауки перемещаются на расстояние нескольких километров от точки отправления. Они забираются на возвышенность, выпускают моментально застывающее волокно и уносятся воздушным потоком.
2. Страховки. Пауки-скакунчики плетут ажурное полотно, чтобы подстраховать себя во время охоты на жертву. Они закрепляются нитью за основание предмета и совершают прыжок на добычу. Некоторые виды пауков, чтобы не потерять свою нору, протягивают от нее волокно при уходе и возвращаются обратно по нему.
3. Подводных убежищ. Их создают только обитающие в воде виды. Известно, зачем паутина необходима им при постройке подводных нор, – она обеспечит воздух для дыхания.
4. Устойчивости на скользкой поверхности. Эту функцию используют все виды тарантулов – клейкий материал на лапах помогает им удерживаться на скользкой поверхности.

Некоторые виды обходятся без плетения паутинных нитей, только охотятся. Но для многих она – помощник в процессе выживания.

Почему не прилипают сами?

Чтобы спокойно передвигаться по ловушке и не стать ее жертвой, паук протягивает сухие нити, без клейкого вещества. Он ориентируется в постройке, поэтому знает, какая часть волокна предназначается добыче, а какая – безопасна для него. Он поджидает жертву в центре постройки.

Дополнительные факторы, помогающие пауку не прилипать к собственной паутине:

• кончики лап хищника смазаны маслянистой жидкостью,
• на его конечностях множество волосков, уменьшающих площадь прикасания к липким нитям,
• он перемещается специальным образом.

Современные ученые до сих пор не научились создавать паутину искусственным путем. Но попытки сделать ее точную копию продолжаются. Генетики из Канады вывели искусственным методом коз, в молоке которых содержится паутинный белок. Как паук делает паутину, технология ее плетения – загадка природы, которую не разгадали величайшие умы.

Природа позаботилась о существовании пауков и дала им способность искусно плести паутину. Она помогает им добывать пропитание, защищать потомство и свое жилище, а также пользоваться ею в целях перемещения. Ажурная ловушка вызывает мировой интерес своей загадочностью и невозможностью искусственного воспроизведения. Каждый вид паукообразных вызывает глубочайший интерес и поражает специфическими особенностями.