Жил в начале XVIII века человек, который связал себе пару чулок и перчатки из паутинных нитей. Он даже попытался разводить пауков вместо шелковичных червей и предложил ткачам заменить шелк паутиной. Но разведение пауков оказалось довольно трудным делом и сегодня нам известно лишь одно практическое употребление паутины — в качестве перекрестий в тонких оптических приборах.
Однако изучение паутины может принести большую пользу: ее нити обладают многими из тех качеств, которые стремится придать человек искусственным волокнам. А в одном паук далеко обогнал химическую и текстильную промышленность — все виды паутины он производит из белковых молекул, между тем как человеку создать высокопрочные искусственные волокна из белка до сих пор не удается.
Как паук вырабатывает паутину
Пауки вырабатывают свой «шелк» в специальных железах — это особые трубки, которые заканчиваются отверстием в прядильном органе паука. Через отверстия и выделяется паутина. Почти у всех видов пауков прядильные органы в виде небольших бородавок расположены на задней части брюшка.
Паутина синтезируется из аминокислот в крови насекомого. Происходит это в клетках, образующих стенки паутинных желез. Паутина выделяется в виде отдельных капелек, и постепенно вся полость железы заполняется вязкой жидкостью, представляющей собой концентрированный раствор паутины. Этот раствор хранится в железе до тех пор, пока у паука не возникает потребность в паутине. В этом случае насекомое выдавливает каплю паутинного раствора, которая приклеивается к твердой опоре. Двигаясь прочь, паук как бы «вытягивает» из себя нить паутины: на воздухе вязкий раствор мгновенно превращается в тонкое шелковистое волокно.
Вещества, которые могут быть превращены в волокна — как правило, высокомолекулярные соединения. Они состоят из длинных малоразветвленных молекул. В паутинном растворе молекулы скручены. Но «протискиваясь» через тонкие отверстия прядильного органа, они распрямляются и располагаются по длине волокна. В этом положении их удерживают связи, возникающие между соседними молекулярными цепями.
Сколько существует видов паутины?
Передвигаясь с места на место, паук плетет прочную двойную нить. Эта нить называется подвесной, ее назначение — удерживать насекомое от падения. В отдельных местах подвесная нить закрепляется на какой-нибудь твердой основе специальными прикрепительными дисками — так поступают альпинисты, укрепляя на скалах свои канаты.
Иногда подвесная нить укрепляется еще двумя тонкими волокнами, которые используются также для изготовления внешней рамы и радиальных нитей сети.
Наиболее важный элемент ловчей сети — это паутина, натянутая спиралью на радиальные нити. Спиральные нити чрезвычайно эластичны и липки, они идеально приспособлены для ловли попадающих на сеть насекомых. Каждая такая нить состоит из двух очень тонких эластичных волокон, склеенных капельками вязкого вещества.
Стоит мухе лишь слегка прикоснуться к липкой нити, и она уже не сможет выбраться из сети. Эластичная нить с прилипшей жертвой может сильно растягиваться, не разрываясь. Муха попадает на соседние липкие нити и окончательно в них запутывается. Завершая охоту, паук обволакивает жертву еще одним видом паутины и переносит ее в укрытие. Здесь охотник или съедает добычу сразу, или оставляет ее на хранение для будущих трапез.
Наконец, есть еще одна разновидность паутины — из нее паук делает кокон, который защищает паучьи яйца от непогоды и посягательств хищников.
Химия паутинных нитей
Мы уже говорили, что паутина принадлежит к классу белковых веществ, которые, как известно, играют основную рель в строении и деятельности всего живущего на Земле. Из белков состоит миозин в мускулах, коллаген в соединительных тканях, гемоглобин в крови, ферменты, которые контролируют все химические реакции в живом организме.
Белки — это очень большие молекулы, построенные из 20 видов аминокислот, формула которых: H2NCH(R)COOH. Аминокислоты отличаются одна от другой характером боковой цепи R. Взаимодействуя друг с другом, они образуют очень длинные цепи:
Белковая молекула паутины состоит из одной или нескольких таких цепей, связанных между собой поперечными связями. Это связи могут быть образованы аминокислотой, цистином, в молекуле которой находятся две NH2- и две СООН- группы, благодаря чему молекула цистина способна соединять две цепи. Поперечные связи возникают и между частями одной цепи — тогда в структуре молекулы белка образуются петли.
Из 20 аминокислот, объединенных в очень длинные цепи и, в свою очередь, связанных разнообразными поперечными связями, природа построила множество самых различных белков. И задача химика, изучающего эти сложнейшие соединения, — установить состав, количество и расположение аминокислот в белковой молекуле.
Успехи хроматографии сделали в последнее время относительно простым определение состава и количества аминокислот, но установление структурных особенностей молекулы белка по-прежнему остается чрезвычайно ^ложным делом. Чтобы определить, какие аминокислоты входят в состав белка, его разлагают кипячением в соляной кислоте. Затем полученную смесь аминокислот разделяют на отдельные компоненты. Ученые создали сейчас такую совершенную хроматографическую аппаратуру, которая позволит провести полный анализ состава белка всего на нескольких миллиграммах исходного вещества.
Анализ показал, что паутина подвесной нити и кокона сильно отличается одна от другой составом. Основные аминокислоты первой — серии и аланин, второй — глицин и аланин. Другие аминокислоты тоже входят в состав изучаемого белка, но в значительно меньшем количестве. Для аминокислот паутины характерны очень короткие боковые цепи.
Сравнения натурального шелка и паутины показали, что и в составе, и в строении у них есть много общего. Но, если в настоящее время уже известно расположение аминокислот в значительной части молекулы шелка, то строение молекулы паутины пока еще почти не выяснено. Однако даже знание последовательности расположения аминокислот в белке не объясняет всех свойств волокна. Эти свойства существенно зависят от того, каким образом белковые цепи расположены одна относительно другой в каждом отдельном волокне.
Выяснить строение волокон помогает рентгенография Пятна на рентгенограмме паутинных нитей говорит о том, что в волокнах паутины есть кристаллические участки, в которых атомы расположены упорядоченно. Подобные же области обнаружены почти во всех нитях, вырабатываемых насекомыми, причем в их структуре можно заметить много общих черт.
Очень грубо эту структуру можно представить следующим образом. Начертим на листе бумаги ряд параллельных равноудаленных линий. Согнем бумагу под прямым углом к начерченным линиям. Линии будут символизировать пептидные цепи, а места пересечения их со сгибом — положение углеводородных атомов, от которых отходят боковые цепи R. Они идут под прямыми углами к плоскости листа. Плотность упаковки таких листов будет зависеть от размеров R-групп.
Паутина и ткани
Под микроскопом волокна паутины выглядят как длинные правильные цилиндры с почти правильным круглым поперечным сечением.
По сравнению с большинством известных волокон даже самые грубые нити паутины очень тонки. Паутинная нить кокона в 50—70 раз легче человеческого волоса той же длины. Подвесная нить, которой можно было бы охватить земной шар по экватору, весила бы всего 340 граммов.
Самые важные характеристики текстильных волокон: их прочность и способность удлиняться. Сравнивая с этой точки зрения нити различной толщины, обычно оценивают прочность волокна на разрыв.
Средняя разрывная прочность нитей кокона составляет 2,2 г/денье, подвесной нити — 7,8 г/денье; удлинение к моменту разрыва у них соответственно равно 46% и 31%. Сравнительная прочность и удлинение нитей паутины и других волокон показаны в таблице.
Мы видим, что паутинные нити намного прочнее стали и почти так же прочны, как усиленный нейлон. Но если прочность нейлона достигается уменьшением растяжимости волокна, то для нитей паутины характерны одновременно и высокая прочность и прекрасная способность удлиняться.
Подвесная нить, как говорилось выше, состоит из двух волокон, каждое из которых может удержать груз в 0,5 грамма. Крупная самка паука весит 0,65 грамма, так что прочность нити вполне достаточна для того, чтобы удержать насекомое от падения. Однако энергия падении могла бы все-таки привести к разрыву нити, не обладай она такой высокой растяжимостью.
Нить кокона не так прочна, как подвесная нить, но у нее ведь совсем иное назначение. Кокон защищает яйца паука от всяких невзгод. Он наматывается в шесть слоев из толстой паутинной нити. Эти нити напоминают объемную пряжу, которая в последнее время широко вырабатывается промышленностью искусственных волокон для получения эластичного трикотажа. Между нитями кокона остается прослойка воздуха — это хорошая защита от холода, а значительная толща кокона служит надежной броней для яиц.
Спиральные нити ловчей сети чрезвычайно эластичны. С ними можно проделать такой опыт: ухватить концы одной нити пинцетами, растянуть ее в несколько раз, а потом дать ей сократиться. Такую операцию можно повторить неоднократно, и нить не разорвется. В этом случае паутина ведет себя как резина.
Можно ли найти белковым волокнам практическое применение?
Итак, поверхностное знакомство с паутинной нитью показывает, что паук вырабатывает свой «шелк» точно по назначению: определенной цели точно соответствует и паутина с теми или иными свойствами, обусловленными ее составом и структурой.
Человек тоже стремится придать такие свойства созданным им искусственным волокнам, которые бы соответствовали назначению этих волокон. Например, ткань для белья должна быть мягкой наощупь, сохранять тепло и хорошо поглощать влагу, а для волокна, используемого в корде автомобильных шин, обязательна высокая прочность.
Конечно, это чрезвычайно заманчиво — научиться создавать искусственные белковые волокна с нужными нам свойствами. Пока мы еще не научились строить длинные цепи из различных аминокислот с определенной последовательностью, но уже сейчас умеем вызывать полимеризацию какой-нибудь одной аминокислоты и получать длинную цепь, например, полиаланина. Значит, уже сейчас можно получить волокна со свойствами, близкими к свойствам паутины. Кроме того, можно уже создавать на практике высокомолекулярные соединения с повторяющейся дипептидной группировкой, такие, как …глицин — аланин — глицин — аланин —…
Изучая свойства и строение паутины, ученые ищут путь к созданию искусственных белковых волокон с заранее заданными свойствами.
Перевод с английского И. ЧАПЛИНОЙ