Секрети павутинної нитки
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
У XVIII столітті такий собі Бон з Монпельє пов’язав собі пару панчіх і рукавичок з павутини. Цей досвід використання павутинної нитки для текстильних цілей виявився єдиним. В даний час павутина застосовується лише в якості перехресть точних оптичних приладів.
Павутина синтезується з амінокислот в крові павука. Відбувається це в клітинах, що знаходяться в стінках павутинних залоз. Павутина виробляється крапельками; вони зливаються в пустотілій центральній частині залози. Ця в’язка рідина фактично являє собою концентрований розчин павутини. Розчин накопичується в залозах до тих пір, поки у павука не з’явиться потреба в павутині і вона не потягнеться з проток павутинних бородавок. Павутина швидко витягується в тонку нитку і відразу ж переходить з в’язкого стану в твердий.
Речовини, які можуть бути витягнуті в нитки, – зазвичай високомолекулярні полімери. Складаються вони з довгих тонких молекул. Молекули скручені, коли знаходяться в розчині. Однак, якщо вони витягнуті з тонкого отвору, вони розгортаються і розташовуються по всій довжині волокна. Молекули утримуються в цьому положенні поперечними зв’язками, які утворюються між сусідніми ланцюгами.
Пересуваючись, павук зазвичай плете подвійну нитку – так звану висячу. Вона утримує його від падіння і прикріплюється за допомогою приєднувальних дисків всякий раз, коли павук повинен опуститися.
Висяча нитка іноді посилюється двома більш тонкими нитками. Вони використовуються і для виготовлення зовнішнього каркаса і радіальних ниток ловчої мережі. Інша основна частина ловчої мережі – спіральна нитка; вона фактично і захоплює мух, що потрапляють на неї.
Вся мережа дуже липка і надзвичайно еластична. Липкість їй надає безліч крапельок дуже в’язкої речовини, яка покриває обидві павутинки і утримує їх разом. При найменшому зіткненні з в’язкою ниткою муха прилипає. Нитка може розтягуватися, не розриваючись, як би сильна не була жертва. Зазвичай це призводить до того, що муха заплутується і в сусідніх липких нитках. Утримуючи муху, павук щелепами, ногощу-пальцями і передніми лапками обертає її, в той час, як задні його лапки витягають павутину з павутинних бородавок. Муха виявляється, таким чином, в павутинному «бинті», і павук часто забирає жертву в свій притулок, де її чекає доля або бути з’їденою відразу, або бути підвішеною «про запас».
Є і ще одна павутина; вона використовується для виготовлення кокона. Цією ниткою павук обволікає яйця, відкладені восени. Кокон захищає яйця від негоди і зазіхань різних хижаків.
Павутина складається з білків. Білки, як відомо, грають найважливішу роль в будові і роботі всіх живих організмів. З них складається міозин в м’язах, колаген в сполучних тканинах, гемоглобін в крові, а також ферменти, які керують всіма хімічними реакціями в живому організмі.
Білки – великі молекули, побудовані з двадцяти різних амінокислот. Молекула білка павутини може складатися з одного або декількох ланцюгів, пов’язаних в одному або декількох місцях. Міцні поперечні зв’язки утворені амінокислотою цистином, можуть «чіплятися» до двох різних кіл. Цистин може також утворити зв’язок між різними частинами одного і того ж ланцюга, утворюючи петлі.
Двадцять амінокислот можуть утворити величезну кількість різних білків. Одна з основних цілей, до якої прагнуть хіміки, які займаються білками, – встановити кількість амінокислот у білку і їх взаєморозташування.
Для визначення амінокислотного складу білок розкладають на складові його амінокислоти кип’ятінням в соляній кислоті. Потім з суміші амінокислот виділяють всі компоненти. Двадцять п’ять років тому це було досить складною процедурою, яка вимагала великої кількості матеріалу і часу і до того ж не завжди давала точні результати. В даний час повний аналіз амінокислот може бути здійснений на декількох міліграмах матеріалу за один день. Вчені створили апарат, в якому суміш амінокислот спочатку розкладається на компоненти, а потім кількість їх автоматично реєструється і записується у вигляді графіків.
Ці аналітичні методи застосовані при аналізі ряду павутини. Існує велика різниця в складах нитки кокона і висячої нитки. Основні амінокислоти першої – аланін і серин, другої – гліцин і аланін. Більш ніж наполовину білок в кожному випадку утворений лише двома амінокислотами, хоча в них присутні і багато інших амінокислот. Найбільше в павутині амінокислот з дуже короткими бічними ланцюгами.
Знати, як розташовуються амінокислоти в білку, дуже важливо. Але це ще не дає можливості пояснити всі властивості волокон. Ці властивості залежать в значній мірі від того, які ланцюги розташовані щодо один одного.
У 1913 році батько і син Брегг показали, що кристал будь-якої речовини, що обертається в рентгенівських променях, відображає їх під деякими певними кутами, так як він складається з впорядковано розташованих атомів, які утворюють площини відображення. У тому ж році двоє японців – Нікішава та Оно – встановили, що багато волокон, які, як передбачалося, не мали кристалічної структури, теж дають певні відображення.
Існуючі рентгенограми павутинних ниток виглядають невиразно, якщо порівнювати їх з рентген грамами справжніх кристалів, проте вони можуть дати значну інформацію про структуру павутини. Той факт, що така рентгенограма містить плями, свідчить про наявність у волокнах павутини кристалічних ділянок, що мають впорядковане розташування атомів. Заслуга визначення структури цих кристалічних ділянок належить насамперед професору Лайнусу Полінгу з Каліфорнійського технологічного інституту і професору Уорвіккеру.
Завдяки цим дослідженням ми знаємо, що майже у всіх видів павутини схожа структура. Приблизне уявлення про неї можна отримати, накресливши кілька рівновіддалених паралельних ліній на листку паперу, а потім зібравши в складки цей лист під прямими кутами до ліній. Лінії представляють собою довгі пептидні ланцюги, а місця, де вони перетинаються зі складками, позначають положення атомів вуглецю, від яких відходять бічні ланцюги. Вони йдуть під прямими кутами до площини листа.
А тепер розглянемо якусь кількість аналогічних листів, складених разом; щільність їх «упаковки» буде залежати від розмірів І-груп. Майже всі павутини мають ланцюги, розташовані аналогічним чином в межах аркушів, і відрізняються лише відстанню між листами: вона коливається від 3,3 до 15,6 ангстрем.
Нитка павутини під мікроскопом – це довгі правильні циліндри з майже правильним круговим поперечним перерізом. Один спосіб порівняння тонкощі волокон – вказати вагу певної довжини волокна. Для павутини він зазвичай виражається в денье – вазі в грамах 9 кілометрів нитки. У цій системі вимірювання нитка шовковичного хробака важить 1 деньє, в той час як людський волос – 40-50 денье. Вага нитки кокона павука – 0,7 денье, а висячої нитки – ще менше, 0,07 денье. Висяча нитка, що обвила б земну кулю по екватору, важила б лише близько 340 грамів.
Міцність і еластичність ниток мають важливе значення для текстильної промисловості. Щоб порівняти нитки різної товщини, їх міцність зазвичай висловлюють через міцність на розрив, тобто через навантаження на розрив, поділене на денье. Розривна міцність, таким чином, виражається в грамах на денье. Середня розривна міцність ниток кокона становить 2,2 г / денье, а висячої нитки – 7,8 г / денье. Подовження до моменту розриву досягає відповідно 46% і 31%.
На відміну від висячої нитки, нитка кокона порівняно міцна, і це пояснюється її призначенням. Вона і не повинна витримувати великі напруги, її завдання – створювати захисну оболонку для яєць кокона. Для цього павук плете шестислойну пряжу з кучерявої нитки. Кожна нитка кокона складається з шести павутинок. Ця павутинна оболонка нагадує об’ємну пряжу, яка була розроблена в останні роки для виготовлення еластичного трикотажу з штучних волокон.
Спіральна нитка ловчої мережі, яка утворює липку павутину пастку, дуже еластична. Її розтягування і стиснення повністю оборотні, і в цьому відношенні вона нагадує гуму.
Одне із завдань промисловості штучних матеріалів полягає в тому, щоб постачати покупцям матеріали з певними властивостями. Тканина для нижньої білизни, наприклад, повинна зберігати тепло і поглинати вологу, а для корду автомобільних покришок необхідна дуже міцна тканина.
Розробка штучних білкових волокон знаходиться ще в зародковому стані, оскільки ми поки що не можемо створити довгі ланцюги зі складною амінокислотною структурою. Можна, однак, взяти одну амінокислоту і полімеризувати її в довгі ланцюги, наприклад, в поліаланін або пол і метил глютамаг, отримавши з них хороші тканини. Можна також отримати високомолекулярні полімери з повторюваною діпептидною послідовністю, наприклад, … гліцин – аланін – гліцин – аланін – гліцин – аланін…
Подальше вивчення різних видів павутини – ось той шлях, який напевно допоможе нам у створенні штучних білкових волокон.
Автор: Д. Лукас.