Ф. Лукас

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