Каждый из нас прекрасно представляет себе паутину: неоднократно
сталкивался с паутиной в лесу, а то и в своем собственном доме. Из углов
паутину смахивают веником, а в лесу, случайно угодив в нее лицом,
недовольно стряхивают.
Между тем, паутина – это очень интересный и полезный в практическом
применении натуральный материал, огромное значение которого незаслуженно
сегодня затмили многочисленные синтетические полимеры.
Тончайшие нити самой древней паутины были обнаружены в куске янтаря
работниками Оксфордского университета в Восточном Сассексе. Возраст
уникальной находки оценивается приблизительно в 140 млн. лет. До этого
момента древнейшей считалась паутина в куске янтаря, найденном в Ливане,
датированным 130-ю миллионами лет, а древнейший паук – обнаруженный в
янтаре возрастом около 120 млн. лет. Янтари, сформировавшиеся более 100
млн. лет назад, встречаются крайне редко.
При помощи самых современных технологий ультрамикроскопирования ученым
удалось идентифицировать древнейшую паутину, длина нитей которой была
чуть больше миллиметра. Интересно, что паутина аналогична той, которую
плетут современные пауки. Расположение обнаруженных нитей позволило
установить, что они были опорами для круглой паутины. Тот же кусочек
янтаря сохранил два мотка древней паутины.
Благодаря этой находке, исследовавшие ее палеобиологи предположили, что
паукообразные на самом деле гораздо более древние существа, чем думали
до этого. Ранее считалось, что широкое распространение летающих
насекомых, служивших добычей для арахнид, было вызвано появлением на
нашей планете цветущих растений. После изучения находки оксфордских
ученых было сделано предположение о том, что древнейшие паукообразные
охотились на ползающих и прыгающих насекомых, сплетая паутину на
поверхности почвы.
Кроме паутины, тот же кусок янтаря сохранил обуглившиеся частички
горелых коры и сока хвойного дерева. Предположительно, дерево выделило
смолу, поглотившую паутину и впоследствии превратившуюся в янтарь, во
время лесного пожара.
Сами пауки используют паутину для построения убежищ, выстилки норок,
ловчих тенёт и яйцевого кокона; самцы делают из неё сперматическую
сеточку в целях размножения. У молоди некоторых пауков длинные нити
паутины служат парашютами при расселении ветром. При изготовлении ловчей
сети паук сначала натягивает раму и радиальные нити, затем прокладывает
временную опорную спиральную нить и лишь после этого ткёт клейкую
спиральную ловчую сеть, по окончании к-рой обкусывает опорную нить.
Паутина пауков представляет собой белок, обогащённый глицином, аланином
и серином. Внутри паутинной железы она существует в жидкой форме. При
выделении через многочисленные прядильные трубочки, открывающиеся на
поверхности паутинных бородавок, происходит изменение структуры белка,
вследствие чего он затвердевает в форме тонкой нити. В дальнейшем паук
переплетает эти первичные нити в более толстое паутинное волокно.
Каркасная нить паутины состоит из двух белков: более прочного
спидроина-1 и более эластичного спидроина-2. Именно сочетание их свойств
определяет уникальные свойства паутины.
Паутина может иметь диаметр до нескольких миллиметров и состоит из
тончайших нитей. Паутина чрезвычайно тонка и легка. Чтобы опоясать
экватор нашей планеты, ее потребовалось бы всего 340 г!
Ученых больше всего интересует каркасная нить паутины, необычайно
прочная и эластичная. Мало кто знает о том, что нить паука по своей
прочности близка к нейлону - прочность на разрыв составляет от 40 до 260
кг/мм2, что в несколько раз прочнее стали. 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. К тому же она необычайно
эластична.
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.
Другое необычное свойство паутины — внутренняя шарнирность: подвешенный
на паутинном волокне предмет можно неограниченно вращать в одну и ту же
сторону, и при этом она не только не перекрутится, но вообще не будет
создавать заметной силы противодействия.
Как известно, натуральные нити человек добывал из природных материалов с
достаточно большой изобретательностью. Впоследствии из таких нитей
появились ткани - из шерсти, хлопка, льна, крапивы и даже из тончайших
нитей коконов шелкопряда. Однако использование паутины открывает новые
перспективы в этом направлении, т.к. представляет собой отличный
материал для изготовления прочных и легких тканей.
Первая попытка изготовить такую ткань была предпринята три столетия
тому назад французским ученым – энтомологом Боном, который представил в
научное королевское общество свои предложения о замене привозного шелка
паутинным. В качестве образца прилагались сделанные из паучьего шелка
чулки и перчатки. Идея ученого не нашла поддержки по причине сложности
массового разведения пауков. В нынешнее время для этой проблемы есть
решение, но появление большого количества синтетических нитей резко
снизило востребованность паучьего шелка.
Исключительная по прочности, легкости и красоте ткань из паутины до сих
пор используется и известна в Китае под названием "ткани восточного
моря". Полинезийцы употребляли паутину крупных тенетных пауков в
качестве ниток для шитья и плетения рыболовных снастей. В начале XVIII
века во Франции из паутины крестовиков были изготовлены перчатки и
чулки, вызвавшие всеобщее восхищение. Известно, что от одного паука
можно получить сразу до 500 м нити. В 1899 году из паутины крупного
мадагаскарского паука пытались получить ткань для покрытия дирижабля и
удалось изготовить образец роскошной ткани длиной 5 м.
На сегодняшний момент нити паутины применяются в основном в оптической
промышленности для нанесения перекрестья в оптических приборах и в
качестве ниток в микрохирургии, а также за счет высокого содержания в
себе бактерицидных свойств может с успехом применяться в медицине в
качестве шовного материала, искусственных связок и сухожилий, пленок для
заживления ран, ожогов и пр.
Синтезировать подобного рода белки в лаборатории химическим путем
невозможно - они слишком сложны. Однако ученым удалось создать некий
искусственный аналог с применением биотехнологических технологий. Такая
нить была проверена на прочность специалисты Научно-иследовательского
центра "Углехимволокно" в Мытищах. Нить толщиной всего в несколько
микрон выдерживает на разрыв 50-100 мг груза. Она оказалась всего лишь в
четыре раза менее прочной, чем у паука, а это очень хороший результат. В
то же время величина значения энергии разрыва (упругость) у этой нити
уже выше, чем у кости или сухожилия.
Из паутины можно делать не только нити, но и пленки. Именно в таком
виде планируется использование «искусственной паутины» для изготовления
заживляющих покрытий для ран и ожогов, которые не будут отторгаться
организмом и будут стимулировать регенерацию собственного эпителия.
Предпринимались попытки и получать паутину естественным путем,
аналогично шелку. Были даже изобретены разные приборы для «доения» паука
и аккуратного наматывания нежных нитей на медленно вращаемую катушку.
Препятствий оказалось несколько. Во-первых, неуживчивость паучьей
натуры: при совместном содержании эти животные враждуют и поедают друг
друга. Во-вторых, каждый паук производит очень мало паутины: подсчитано,
что для производства 500 г волокна потребуется 27 тыс. пауков среднего
размера. Понятно, что продуктивность членистоногих вряд ли сможет
удовлетворить промышленным запросам. Выход один: научиться получать ее
искусственно.
Жители островов Тихого океана «заставляют» пауков плести рыболовные
сети, которые необычайно прочны и почти незаметны в воде. А на
расположенном недалеко от восточного берега Африки острове Мадагаскар
многие сельские жители до сих пор используют паутинки вместо ниток.
Технология, разработанная около ста лет назад французским
проповедником, позволила собрать с миллиона мадагаскарских пауков
золотистую паутину.
Искусствовед Саймон Пирс (Simon Peers) и его американский партнёр по
бизнесу Николас Гудли (Nicholas Godley) наняли для работы несколько
десятков рабочих, которые создали уникальное полотно размером 3,4 на 1,2
метра.
Поставщиками "ниток" стал миллион пауков-кругопрядов (golden orb
spider), принадлежащих к роду Nephila. На изготовление куска, пожалуй,
самой необычной ткани учёный и предприниматель потратили почти пять лет
жизни и около $500 тысяч.
Гудли впервые приехал на Мадагаскар в 1994 году, где создал небольшую
компанию по производству товаров из волокон пальмы рода Raphia. В 1999-м
Николас выпустил свою первую коллекцию модных сумок (видимо, из того же
материала), а в 2005-м закрыл фабрику и полностью переключился на
производство "паучьей ткани" вместе с Пирсом.
На создание необычного полотна Гудли вдохновили рассказы о том, как в
XIX веке нечто подобное попытался сделать французский управляющий одной
из мадагаскарских провинций. Однако Николасу не было доподлинно
известно, являются эти рассказы правдой или вымыслом.
Вообще-то паучий шёлк не пользуется особой популярностью у жителей
Мадагаскара (оно и понятно, ведь "стандартного" тутового шелкопряда
выращивать гораздо легче). Однако в XIX веке подданные королевства
Мерина (Merina Kingdom) всё же решались работать с ним. Изделия из
паутины преподносились членам королевских семей. Появилась даже особая
традиция сплетения нитей.
Работа Пирса и Гудли началась с того, что они наняли 70 рабочих
собирать близ столицы Мадагаскара Антананариву (Antananarivo) паучих
вида Nephila madagascariensis.
Только женские особи создают уникальную в своём роде прочную паутину с
золотистым оттенком. Сбор проходил во время сезона дождей, так как
членистоногие плодят свои сети только в это время года (что накладывает
дополнительные ограничения на процесс производства полотна).
Чтобы создать некое подобие прядильной фабрики, пауков поместили в
специальные камеры, где их держали в неподвижном состоянии. Надо
сказать, что Nephila madagascariensis не ядовитые, но кусачие. Кроме
того, они могут сбежать или поесть друг друга. "Поначалу мы имели 20
женских особей, но вскорости всё заканчивалось тремя, правда, очень
толстыми", – рассказывает Пирс.
Так что в конце концов беспокойных тварей изолировали друг от друга,
одновременно нарастив количество одновременно обитающих на фабрике
особей.
Десять рабочих собирали паутину, свисающую из прядильных органов
паучих. С одной особи таким образом можно было получить около 25 метров
драгоценного материала.
Пирс отмечает, что четырнадцать тысяч пауков дают примерно 28 граммов
паучьего шёлка, а общий вес конечного куска ткани составил аж 1180
граммов!
Далее для создания первичной нити ткачи вручную скручивали 24 отрезка
паутины в один, четыре первичных затем превращали в одну основную нить
(итого 96 отрезков), и только из неё ткали полотно. Можно представить,
насколько кропотливой должна быть работа.
Материал из паутины пригодится на поле боя, в хирургии и даже в
космосе, уверены многие специалисты. В получении изделий из белков
паутины заинтересованы в Институте биоорганической химии РАН, а также в
Институте трансплантологии и искусственных органов.
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, абсолютно
экологически чистый, и ее применение в условиях кризиса
высокотехнократической цивилизации может оказаться весьма полезным.
При подготовке статьи мною использованы материалы:
