Загадки паутины. Какое значение в жизни пауков имеет паутина? Как используют паутину пауки

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/м 3 (сталь выделяет - 6 МДж/м 3). 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 1,9·10 12 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 10 11 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.

Большинство людей не любит или даже боится пауков. Не лучше они относятся и к паутине – эффективной ловушке, при помощи которой пауки ловят своих жертв. Между тем, паутина – одно из самых совершенных творений природы, которое отличается рядом удивительных свойств.

Изначально паутина хранится в жидком виде

Внутри паука паутина хранится в жидком виде и представляет собой белок с высоким содержанием глицина, серина и аланина. При выделении жидкости через прядильные трубочки, она мгновенно застывает и превращается в паутину.

Не вся паутина липкая

Радиальные нити паутины, по которым паук обычно передвигается внутри своей ловушки, не содержат клейкого вещества. Ловчие нити – более тонкие и легкие – располагаются кольцами и покрыты мельчайшими капельками клейкого вещества. Именно к ним им прилипают невнимательные жертвы паука.

Но даже если паук по каким-то причинам вынужден будет перейти с радиальной нити на кольцевую, то он все равно не прилипнет: все дело в волосках, которые покрывают ноги членистоногого. Когда паук наступает лапой на нить, волоски собирают все клейкие капли. После того как паук поднимает ногу, капли с волосков вновь стекают на нить паутины.

На прочность паутины влияют свет, температура и влажность

Клеящее вещество, которое скрепляет между собой нити паутины, меняет свою клейкость в зависимости от погодных условий. Установлено, что нахождение паутины в сухом и жарком месте уменьшает ее прочность. Прямые солнечные лучи еще больше ослабят соединения нитей между собой и сделают паутину еще менее прочной.

Пауки используют паутину не только для ловли добычи

Паутина используется пауками не только для изготовления превосходных ловушек. Например, некоторые виды используют паутину для брачных игр – самки оставляют длинную нить, идя по которой проходящий мимо самец сможет добраться до желанной цели.

Часто пауки оплетают паутиной свою норку. Другие используют нити в качестве канатов, по которым можно спуститься вниз. Если же паук живет на высоте, под своим убежищем он может протянуть несколько страховочных нитей, чтобы при падении была возможность за них зацепиться.

Оригинальный способ использования паутины нашли некоторые представители семейства пауков-кругопрядов, обитающих в тропических лесах Амазонии. Они сплетают нитью несколько веточек таким образом, чтобы сделать их похожими на насекомое. Затем, отойдя на некоторое расстояние, паук дергает за нити, заставляя муляж шевелиться, имитируя движения насекомого. Данный способ помогает паукам отвлекать внимание хищников и, пока враг исследует муляж, у членистоногого появляется возможность убежать.

Пауки некоторых видов оставляют на паутине электрический заряд

Настоящей неожиданностью стало известие о том, что пауки вида Uloborus Plumipes во время плетения своей сверхтонкой паутины дополнительно натирают ее ногами, что придает ловушке электрический заряд. Когда рядом с паутиной оказывается насекомое, обладающее электростатическим зарядом, ловушка моментально притягивается к нему со скоростью около 2 м/с.

Некоторые паутины поражают своей длиной

Паутина самок паука Дарвана может напугать даже самого смелого человека: ее ловчая площадь может достигать 28 000 см², а длина некоторых нитей насчитывает до 28 метров!

При этом скрепляющие нити подобных паутин отличаются высокой прочностью: например, они в 10 раз прочнее кевлара – материала, который используют в качестве армирующего компонента в бронежилетах

Некоторые пауки могут плести паутину даже под водой

Речь идет о пауке-серебрянке, который умеет подолгу находиться под водой. При погружении в воду между волосками его брюшка задерживаются пузырьки воздуха, которые паук использует для дыхания под водой.

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 Н 2 NCН 2 СООН и аланин СН 3 СHNН 2 CООН. 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).

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.

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!

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.

Автору представляется перспективным получение противоожоговых повязок и перевязочного материала из паутины . Шелк - более доступный материал, и его производство уже существует. Однако паутина из-за особой топологии молекул и структуры в целом имеет большие перспективы для медицинских повязок и матриксов в скаффолд-технологии * (scaffold-technology , от англ. scaffold - леса, подмостки) - культивировании клеток на трехмерных подложках естественного или искусственного происхождения с целью пространственного формирования выращиваемого органа или его фрагмента (рис. 1).

* - 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.

Производство паутины сегодня

В 20 веке, с появлением химических пестицидов и синтетических тканей, о полезных насекомых и пауках забыли. Однако только лишь пестициды не решили проблему вредителей сельскохозяйственных культур. Была разработана стратегия сохранения биологического разнообразия, предусматривающая интеграцию полезных насекомых и пауков в систему сельскохозяйственных культур для природной борьбы с вредителями.

Сегодня для создания новых рабочих мест в России требуется новая стратегия по сокращению посевов монокультур и строительство мини-ферм не только для выращивания позвоночных животных, но и для выращивания пауков и насекомых.

Это можно делать и в городах. Проблема использования органических отходов городов сегодня стоит особенно остро. Эти отходы можно использовать для питания насекомых. В городах есть лишь небольшие фермы по выращиванию сверчков, тараканов и зофобаса . Пауков разводят лишь немногие энтузиасты-киперы. В то же время подвалы и чердаки, где в основном и обитают эти животные, для утилизации органических отходов и для выращивания личинок насекомых и пауков никак не используются.

Цели новой сельскохозяйственной стратегии - экологический способ хозяйствования, увеличение биоразнообразия и получение дохода от строительства и эксплуатации небольших семейных ферм для разведения насекомых и пауков. Эти организмы, их яд и паутина могут продаваться и на экспорт.

Синтезировать паутину химическим путем невозможно - слишком сложное строение белков. От попыток синтеза паутины отказались все ведущие фирмы мира. Несколько лабораторий продолжают работу и пытаются получить паутину из дрожжей, бактерий и даже коз . Все эти подходы требуют очень сложного оборудования и больших финансовых затрат. При этом нити у них получаются совсем другого качества, уступая «оригиналу» по прочности и антибактериальным свойствам. Кроме того, объемы паутины, изготовленной в таких лабораториях, очень скромные: по телевизору иногда показывают ученых, демонстрирующих образцы синтетической паутины размером с ноготь в пинцете или в небольшом пузырьке.

Для сбора паутины от живых пауков тоже отказались, хотя эту идею предлагали неоднократно. Препятствий оказалось несколько. Прежде всего, мешает неуживчивость пауков и склонность к каннибализму: при совместном содержании эти животные враждуют и поедают друг друга. Кроме того, большинство пауков выделяет очень мало паутины: подсчитано, что для производства 500 граммов паутины потребуется 27 тыс. пауков среднего размера ; по данным Г.П. Кирсанова, пауки-крестовики за 24 часа продуцировали 230 мг паутины . Четырнадцать тысяч пауков рода Nephila дают примерно 28 г паутины . По другим данным, для получения 29 г паутины, требуется около 23 тыс. пауков . Такая разница в цифрах говорит о том, что данные о производительности пауков требуют подтверждения. Неизвестно, пауки какого вида и «среднего размера» вырабатывали паутину для взвешивания в том или ином случае.

Первое описанное препятствие для разведения пауков можно и нужно превратить во благо: склонность пауков к каннибализму подталкивает к созданию для них изолированных друг от друга контейнеров, тем самым предотвращая и эпидемии, и массовую смертность. При этом для изготовления медицинских материалов и лекарств из паутины нужно использовать не пауков рода Nephila или крестовиков, а пауков с самими большими паутинными придатками - Linothele megatheloides (рис. 2) и других Dipluridae .

Рисунок 2. Паук Linothele megatheloides , самка.

В результате исследования автором были получены данные, что пауки вида Linothele megatheloides за месяц продуцируют более 2 г паутины. У них имеются для этого длинные (более 20 мм) паутинные придатки (рис. 3). Эти органы имеют более тысячи микрофильер, через которые нити паутины выходят, подобно пленке.

Автор опробовал паутину для создания противоожоговых повязок (рис. 4). В результате использования этой паутины на ожоге заживление происходило в течение недели. При этом не требовалось дополнительных перевязок и удаления гноя. Через две недели не осталось даже следов ожога.

Рисунок 3. Паутинные придатки Linothele megatheloides под микроскопом.

Рисунок 4. Ожог, покрытый бинтом с паутиной Linothele megatheloides .

Посаженные в специальный контейнер Linothele megatheloides уже через час начинают свою работу и слой за слоем покрывают паутиной текстильную подложку контейнера площадью 1 м 2 . Через два месяца паутины от одного паука хватит для покрытия всей поверхности человеческого тела. Такой инновационный медицинский материал с паутиной, возможно, может спасти жизнь человека с ожогами более 60% всей поверхности тела.

В результате своих наблюдений автор установил, что благодаря специальным добавкам к питанию приплод и выживаемость потомства Linothele megatheloides составляют 100%. Это в среднем 50 молодых особей - потенциальных производителей «второй кожи» - за полгода. На кормление одной самки уходит 2–3 таракана в неделю. Условия содержания пауков - это отсутствие солнечного света, высокая влажность (80–90%), температура 28 °C, комплексное питание и капельное опрыскивание паутины раз в неделю. При создании благоприятных условий кормления, содержания, ухода и «доения» пауков можно добиться увеличения паутинопрядения в 2–3 раза.

Изготовление повязок и бинтов из паутины Linothele megatheloides

Трикотажная сетчатая основа (например, марля с влажностью более 80 %) укладывается на дно полиэтиленового контейнера. Контейнер имеет перфорацию для вентиляции, датчики влажности и температуры, подъемную крышку, капиллярную форсунку и клапан для подачи живого корма. Контейнеры располагаются вертикально, образуя блок высотой 1,5-2 метра (рис. 5).

Рисунок 5. Жилище Linothele megatheloides . а - Паук в контейнере с трикотажной основой. б - Схема контейнера. в - Блок контейнеров.

Рисунок 6. Бинт с паутиной Linothele megatheloides (а ) и стерильная упаковка для него (б ).

Раз в месяц контейнер открывают, паука отсаживают в другой небольшой полиэтиленовый контейнер, удаляют остатки корма, текстильную подложку с паутиной опрыскивают раствором гиалуроновой и пантотеновой кислот, анестетика и антисептика, накрывают полиэтиленовой стрейч-пленкой и скручивают. Дальше рулон вместе с паутиной разрезают на 10 частей и помещают в герметичную упаковку (рис. 6). Упакованные рулоны отправляют на радиационную стерилизацию. Паука выпускают обратно в большой контейнер.

Накладывается такая повязка путем размотки и снятия полиэтиленовой прослойки, паутиной на рану или ожог. Когда паутина и текстильная основа пропитаются лимфой, основа снимается, и на ране остается только заживляющий и дышащий слой паутины.

После того, как человек вылечит свою рану пластырем с паутиной, он уже больше никогда не будет убивать этих замечательных животных.

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 (рис. 7).

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 (рис. 8). 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.

Литература

1. «Умный» клей из паутины ;
2. Агапова О.И., Ефимов А.Е., Мойсенович М.М., Богуш В.Г., Агапов И.И. (2015). Сравнительный анализ трехмерной наноструктуры пористых биодеградируемых матриксов из рекомбинантного спидроина и фиброина шелка для регенеративной медицины . Мадагаскарцы создали самое большое полотно из паучьего шелка . Сайт «Мембрана» ;
3. Накидка, сделанная из паучьего шелка, будет представлена на выставке в Европе . Сайт GlobalScience.ru , 2012;
4. Технологическая платформа «Медицина будущего» . Сайт Евразийской экономической комиссии , 2012;
5. Аксенова Л. (2013). Забыть о боли помогут пауки . Сайт «Газета.ру» ;

Несмотря на всю нелюбовь человечества к паукам, а также на обилие предрассудков и страшных историй, связанных с ними, вопрос, как паук плетет паутину, появляется у малышей чуть ли не одновременно с интересом, а вода мокрая. Результат труда этих малопривлекательных животных действительно зачастую напоминает изящное кружево. И если самих пауков разглядывать неприятно, и многие даже их боятся, то паутина, созданная ими, невольно привлекает внимание и вызывает искреннее восхищение.

Между тем не все знают, что такие «занавески» ткут вовсе не все представители отряда. Почти каждый из видов способен создать нить для основы, но ловчие сети плетут только те, которые охотятся ловушками. Их называют тенетными. Они даже выделены в отдельное надсемейство «Araneoidea». И названия пауков, плетущих охотничьи сети, насчитывает целых 2308 пунктов, среди которых присутствуют и ядовитые - те же и каракурт. Те же, кто охотится, нападая из засады или выслеживая добычу, паутину используют исключительно в бытовых целях.

Уникальные качества паучьего «текстиля»

Несмотря на мелкие размеры создателей, особенности паутины вызывают некоторую зависть со стороны венца природы - человека. Некоторые ее параметры невероятны даже с достижениями современной науки.

1. Прочность. Паутина может порваться от своего веса, только если паук выплетет ее длиной в 50 метров.
2. Исключительная тонкость. Отдельная паутинка заметна, только когда попадает в луч света.
3. Эластичность и упругость. Растягивается ниточка без разрыва в 2-4 раза, причем без потери прочности.

И все эти качества достигаются без всякого технического оборудования - паук обходится тем, чем снабдила его природа.

Виды паутинок

Интересно не только то, как паук плетет паутину, но и то, что он умудряется вырабатывать ее разных «сортов». Грубо говоря, их можно разделить на три типа:

Учеными выделяется и еще один вид паутины, которая отзеркаливает ультрафиолет, подманивая бабочек. Многие считают, что готовая паутина обязательно имеет свой узор. Однако это не так: названия пауков, способных на творческие изыски, можно пересчитать без особого труда, и все такие художники относятся к аранеоморфным представителям этого отряда членистоногих.

Для чего она нужна

Если задать человеку вопрос, зачем пауку паутина, он без всяких сомнений ответит: для охоты. Но этим вовсе не исчерпываются ее функции. Дополнительно она применяется в таких направлениях:

• для утепления норок перед зимовкой;
• 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.

Образование строительного материала

Итак, разберемся все же, как паук плетет паутину. На брюшке у «ткача» расположены шесть желез, которые считаются трансформированными рудиментами ног. 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.

Технология растяжки

Ловчая сеть для ее эффективности должна быть между чем-нибудь растянута - например, между ветками. Когда первая нить создана ее создателем достаточно длинной, он прекращает прядение и растопыривает прядильные органы. Так он ловит ветерок. Малейшее шевеление ветра (даже от нагретой земли) относит паутинку к соседней «опоре», за которую та и цепляется. Паук по «мостику» перемещается (чаще всего провиснув спинкой вниз) и начинает плетение новой радиальной нити. Только когда основа закреплена, он начинает двигаться по окружности, вплетая в нее липкие поперечные линии. Надо сказать, пауки - весьма экономные создания. Оказавшуюся ненужной поврежденную или старую паутину они съедают, пуская «вторсырье» на второй круг использования. А старой она становится, по мнению создателя, довольно быстро, так как паук плетет паутину зачастую каждый день (или ночь, если он - сумеречный охотник).

Чем питаются пауки

Принципиально важный вопрос, так как паук плетет паутину все же в первую очередь для добычи пропитания. Отметим, что все без исключения виды пауков - хищники. Однако их рацион сильно зависит от размеров, методов охоты и места проживания. Все тенетные (плетущие сети) пауки насекомоядны, причем в основе их рациона - преимущественно летающие формы. Хотя если на паутину свалится с дерева ползающий персонаж, ее владелец им не побрезгует. Те, кто живет в норках и поближе к земле, едят в основном прямокрылых и жуков, хотя могут затащить в свое убежище небольшую улитку или червя. Среди разнообразия того, чем питаются пауки, есть и более крупные объекты. Для водяного представителя племени с названием Argyroneta жертвами становятся рачки, водные насекомые и рыбьи мальки. Экзотические гиганты-птицееды охотятся на лягушек, птиц, маленьких ящериц и мышей, хотя большую часть их рациона составляют все те же насекомые. Но есть и более привередливые виды. Особи семейства Mimetidae охотятся только на пауков, не принадлежащих их виду. Огромный птицеед Grammostola ест молодых змей - и изничтожает их в поражающих воображение количестве. Пять семейств пауков (в частности, Ancylometes) ловят рыбу, причем способны нырять, плавать, выслеживать добычу и даже вытаскивать ее на сушу.