Jak vypadá běžný web?

Pavučiny visící mezi větvemi stromu nebo pod stropem ve vzdálenějším rohu místnosti může snadno vykartáčovat každý. Málokdo ale ví, že kdyby měla stojina průměr 1 mm, snesla by zátěž o hmotnosti přibližně 200 kg. Ocelový drát stejného průměru vydrží podstatně méně: 30–100 kg, v závislosti na typu oceli. Proč má web tak výjimečné vlastnosti?

Někteří pavouci spřádají až sedm typů vláken, z nichž každá má svůj vlastní účel. Nitě se dají využít nejen k chytání kořisti, ale i ke stavbě kokonů a seskoku padákem (vzletem ve větru mohou pavouci uniknout před náhlou hrozbou a mladí pavouci se tak šíří na nová území). Každý typ tkaniny je vyráběn speciálními žlázami.

Tkanina sloužící k chytání kořisti se skládá z několika typů nití (obr. 1): rámové, radiální, lapací a pomocné. Největší zájem vědců je o rámový závit: má vysokou pevnost a vysokou elasticitu – právě tato kombinace vlastností je jedinečná. Maximální pevnost v tahu závitu pavoučího rámu Araneus diadematus je 1,1–2,7. Pro srovnání: pevnost v tahu oceli je 0,4–1,5 GPa a pevnost lidských vlasů 0,25 GPa. Závit rámu se přitom může natáhnout o 30–35 % a většina kovů odolá deformaci maximálně 10–20 %.

Obr. 1. Různé závity ve stojině: rámový závit je nejpevnější, drží celý pás pohromadě; radiální závit je tenký a nelepivý, podpírá lepivý záchytný závit; pomocná spirála pomáhá umístit záchytnou nit. Obrázek: Quantum

Představme si létající hmyz, který narazí do natažené sítě. V tomto případě se vlákno tkaniny musí natáhnout, aby se kinetická energie létajícího hmyzu přeměnila na teplo. Pokud by síť ukládala přijatou energii ve formě energie elastické deformace, pak by se hmyz od sítě odrážel jako od trampolíny. Důležitou vlastností tkaniny je, že při rychlém natahování a následném smršťování uvolňuje velmi velké množství tepla: uvolněná energie na jednotku objemu je více než 150 MJ/m 3 (ocel uvolňuje 6 MJ/m 3 ). To umožňuje pavučině účinně rozptýlit energii nárazu a příliš se nenatahovat, když ji oběť zasáhne. Pavoučí síť nebo polymery s podobnými vlastnostmi by mohly být ideálními materiály pro lehkou neprůstřelnou vestu.

V lidovém léčitelství existuje takový recept: k zastavení krvácení můžete na ránu nebo odřeninu přiložit pavučinu a opatrně ji vyčistit od hmyzu a malých větviček, které v ní uvízly. Ukazuje se, že pavučiny mají hemostatický účinek a urychlují hojení poškozené kůže. Chirurgové a transplantologové by jej mohli využít jako materiál pro šití, zpevňování implantátů a dokonce jako polotovar pro umělé orgány. Pomocí pavučin lze výrazně zlepšit mechanické vlastnosti mnoha materiálů používaných v současnosti v lékařství.

Pavoučí síť je tedy neobvyklý a velmi slibný materiál. Jaké molekulární mechanismy jsou zodpovědné za jeho výjimečné vlastnosti?

Jsme zvyklí na to, že molekuly jsou extrémně malé objekty. Není tomu však vždy tak: kolem nás jsou rozšířeny polymery, které mají dlouhé molekuly skládající se z identických nebo podobných jednotek. Každý ví, že genetická informace živého organismu je zaznamenána v dlouhých molekulách DNA. Všichni drželi v rukou igelitové sáčky složené z dlouhých propletených molekul polyetylenu. Molekuly polymeru mohou dosáhnout obrovských velikostí.

Například hmotnost jedné molekuly lidské DNA je přibližně 1,9·10 amu. (to je však přibližně sto miliardkrát více než hmotnost molekuly vody), délka každé molekuly je několik centimetrů a celková délka všech molekul lidské DNA dosahuje 12 10 km.

Nejdůležitější třídou přírodních polymerů jsou proteiny, které se skládají z jednotek nazývaných aminokyseliny. Různé proteiny plní v živých organismech extrémně odlišné funkce: řídí chemické reakce, používají se jako stavební materiály, k ochraně atd.

Obr. 2. Molekula spidroinu a model jeho skládání ve vlákně. Obrázek: Quantum

Lešenářské vlákno sítě se skládá ze dvou proteinů, které se nazývají spidroiny 1 a 2 (z angl. pavouk – pavouk). Spidroiny jsou dlouhé molekuly s hmotností od 120000 720000 do 2 XNUMX amu. Aminokyselinové sekvence spidroinů se mohou lišit pavouk od pavouka, ale všechny spidroiny mají společné rysy. Pokud v duchu natáhnete dlouhou molekulu spidroinu v přímce a podíváte se na sekvenci aminokyselin, ukáže se, že se skládá z opakujících se úseků, které jsou si podobné (obr. XNUMX). V molekule se střídají dva typy oblastí: relativně hydrofilní (ty, pro které je energeticky výhodné přijít do kontaktu s molekulami vody) a relativně hydrofobní (ty, které se kontaktu s vodou vyhýbají). Na koncích každé molekuly jsou dvě neopakující se hydrofilní oblasti a hydrofobní oblasti se skládají z mnoha repetic aminokyseliny zvané alanin.

Dlouhou molekulu (např. protein, DNA, syntetický polymer) si lze představit jako zmačkané, zamotané lano. Natažení není obtížné, protože smyčky uvnitř molekuly se mohou narovnat, což vyžaduje relativně malé úsilí. Některé polymery (např. pryž) se mohou natáhnout až o 500 % své původní délky. Schopnost pavučin (materiál složený z dlouhých molekul) deformovat se více než kovy tedy není překvapivá.

Kde se bere síla webu?

Abyste tomu porozuměli, je důležité sledovat proces tvorby nití. Uvnitř pavoučí žlázy se spidroiny hromadí ve formě koncentrovaného roztoku. Když je vlákno vytvořeno, tento roztok opouští žlázu úzkým kanálem, což pomáhá natahovat molekuly a orientovat je ve směru natahování a odpovídající chemické změny způsobují, že se molekuly slepí. Fragmenty molekul sestávající z alaninů se spojují a vytvářejí uspořádanou strukturu podobnou krystalu (obr. 3). Uvnitř takové struktury jsou fragmenty položeny vzájemně rovnoběžně a vzájemně spojeny vodíkovými vazbami. Právě tyto oblasti, vzájemně propojené, poskytují vláknu pevnost. Typická velikost takto hustě zabalených oblastí molekul je několik nanometrů. Ukázalo se, že hydrofilní oblasti umístěné kolem nich jsou náhodně svinuté, podobně jako zmačkaná lana, mohou se narovnat a tím zajistit roztažení sítě.

Obr. 3. Rekombinantní pavučinový protein schopný tvořit speciální struktury – tenká vlákna o průměru 3–5 nm. Obrázek: Quantum

Mnoho kompozitních materiálů, jako jsou vyztužené plasty, je konstruováno na stejném principu jako lešenářský závit: v relativně měkké a pružné matrici, která umožňuje deformaci, jsou malé tvrdé oblasti, díky nimž je materiál pevný. Přestože materiáloví vědci s podobnými systémy pracují již delší dobu, umělé kompozity se svými vlastnostmi teprve začínají přibližovat pavučinám.

Zajímavé je, že když se síť namočí, velmi se smrští (tento jev se nazývá superkontrakce). K tomu dochází, protože molekuly vody pronikají vláknem a činí neuspořádané hydrofilní oblasti pohyblivější. Pokud se pavučina vlivem hmyzu natáhla a prověsila, pak se ve vlhkém nebo deštivém dni stáhne a zároveň obnoví svůj tvar.

Všimněme si také zajímavého rysu tvorby vlákna. Pavouk působením vlastní hmotnosti síť prodlužuje, ale výsledná síť (průměr závitu přibližně 1–10 μm) obvykle unese hmotnost šestinásobku hmotnosti samotného pavouka. Pokud zvýšíte hmotnost pavouka otáčením v odstředivce, začne vylučovat silnější a odolnější, ale méně tuhou síť.

Pokud jde o použití pavučin, vyvstává otázka, jak ji získat v průmyslovém množství. Na světě existují instalace na „dojení“ pavouků, kteří vytahují nitě a navíjejí je na speciální cívky. Tato metoda je však neúčinná: k nahromadění 500 g sítě je potřeba 27 tisíc středně velkých pavouků. A zde výzkumníkům pomáhá bioinženýrství. Moderní technologie umožňují zavést geny kódující proteiny pavučiny do různých živých organismů, jako jsou bakterie nebo kvasinky. Tyto geneticky modifikované organismy se stávají zdroji umělých sítí. Proteiny produkované genetickým inženýrstvím se nazývají rekombinantní. Všimněte si, že obvykle rekombinantní spidroiny jsou mnohem menší než přirozené, ale struktura molekuly (střídání hydrofilních a hydrofobních oblastí) zůstává nezměněna.

Existuje jistota, že umělá síť nebude svými vlastnostmi horší než přírodní a najde své praktické uplatnění jako odolný a ekologický materiál. V Rusku několik vědeckých skupin z různých ústavů společně studuje vlastnosti webu. Produkce rekombinantní pavučiny se provádí ve Státním výzkumném ústavu genetiky a výběru průmyslových mikroorganismů fyzikální a chemické vlastnosti proteinů jsou studovány na katedře bioinženýrství Biologické fakulty Moskevské státní univerzity. M.V. Lomonosova, produkty z pavučinových proteinů vznikají v Ústavu bioorganické chemie Ruské akademie věd a jejich lékařské aplikace jsou studovány na Ústavu transplantologie a umělých orgánů.

Není pochyb o tom, že uvolňování arachnoidálních nití je zcela řízeno centrálním nervovým systémem. V závislosti na okolnostech může pavouk vylučovat lepkavou nebo suchou nit určité tloušťky a dokonce i určité barvy.

Tvorba webu

Při vylučování pavučiny vytahuje pavouk pomocí zadních nohou viskózní sekret z pavučinových trubiček, ale častěji bradavice pavučiny jednoduše přitlačí k substrátu. V tomto případě malá část uvolněného sekretu ztuhne a přilne k substrátu. Když se pak zvíře vzdálí od místa přichycení, zbytek sekretu se jednoduše vytáhne a natáhne se do rychle tuhnoucích nití.

Charakteristiky sekretů různých typů žláz a vlastnosti nití, které tvoří, jsou velmi rozmanité a mají v životě pavouků různý význam. Pavučina neboli hedvábí, ze kterého se vaječný kokon připravuje, tedy není nikdy lepkavé a liší se i dalšími vlastnostmi, především barvou. Zlatožlutý zámotek Cyrtarachne tuberculiferum je zavěšen na bílých nitích.

Mnoho druhů Araneus tká dvouvrstvé kokony, ve kterých je vnitřní vrstva obklopující vajíčka bílá a vnější vrstva je nažloutlá nebo nazelenalá; Tyto druhy si staví sítě z bílých pavučin. Naopak u Argiope lobata jsou hlavní nitě sítí krásně zlatožluté barvy a zámotky jsou bílé, i když smíšené se zelenkavě namodralým hedvábím. Zeloti vyrábějí sítě z bílého a zámotky z růžového hedvábí atd.

Pavouk křížový (Araneus) využívá k budování záchytné sítě výměšky všech svých žláz, kromě žlázek trubkovitého tvaru, které vylučují pavučinu pro vaječný kokon (obr. 128).

Pavoučí rám

Síťový rám – základ sítě a napnuté vnitřní poloměry jsou vyrobeny z relativně silných suchých nití vylučovaných ampullaidními vývodkami. V tomto případě působí několik ucpávek současně, přičemž každá uvolňuje jeden závit; jednotlivá vlákna jsou navzájem spojena kapičkami tekutého sekretu a tvoří silnější „kabel“. V závislosti na počtu současně působících vývodek (dvě nebo čtyři) se mění tloušťka a síla druhé (u některých pavouků se „kabel“ skládá z téměř 20 elementárních závitů).

Hruškovité žlázy pavouků vylučují svazky tenkých silných vláken, které slouží k přichycení konců radiálních závitů k okolním předmětům – kmenům stromů, větvím apod. Základ adhezivních spirálových závitů záchytné sítě tvoří zřejmě dvojitá hedvábná vlákna vylučovaná lobulárními žlázami. Na tento podklad se nanese vrstva lepkavého slizničního sekretu ze stromových žláz. Brzy po vytvoření těchto nití se vrstva slizniční látky, která je pokrývala, vlivem povrchového napětí rozpadne a vytvoří malé kulovité kapičky, které nit pokrývají po celé její délce (obr. 42, A).

Ty nejsou viditelné pouhým okem, ale stanou se znatelnými, když na nich kondenzuje voda (například na podzim ve vlhkém a chladném počasí). Pavouci, kteří nevytvářejí nástrahy správného geometrického tvaru, stále spřádají lepkavé pavučiny zachycující pavučiny.

Složení pavučinových vláken

Látka pavučiny je blízká trhlině housenek bource morušového (moruše, dub aj.), od kterých se liší nízkým obsahem ve vodě rozpustné adhezivní látky — sericinu. Základem pavoučího hedvábí, stejně jako hedvábí housenek, je fibroin, který se ve vodě nerozpouští. Posledně jmenovaný je protein sestávající z komplexního komplexu albuminů a zejména (u Nephila madagascariensis) především glykolu (35,13 %), d-alaninu (23,4 %) a kyseliny glutamové (11,7 %), tj stejné složení jako hedvábí bource morušového.

Fyzikální vlastnosti sítě

Fyzikální vlastnosti pavoučích vláken se také blíží vlastnostem housenkového hedvábí. Pavoučí hedvábí je však mnohem odolnější. Zatížení v kilogramech na 1 mm2, které způsobuje přetržení a vyjadřuje pevnost nitě, se u různých pavouků (u některých Araneus) pohybuje od 40 do 261, zatímco odpovídající hodnoty pro vlákno housenky se liší od 33 do 43 (Kharitonov, 1945).

Podle Kharitonovova výzkumu mají pavučiny antibiotické vlastnosti. Bakteriostatické vlastnosti kokonového hedvábí jsou zvláště dobře vyjádřeny, což je způsobeno důležitostí jeho ochranné role. Skořápka kokonu chrání vajíčka nejen před vysycháním, před predátory a mechanickým poškozením, ale také před ničivým působením bakterií a plísní.

Řada čeledí, sjednocených ve skupině Cribellatae a majících ribellum a calamistrum, se vyznačuje speciálními cribelárními arachnoidálními žlázami, které se otevírají na cribelární desce. Ten v klidu leží na stejné úrovni s povrchem břicha, ale během spřádání sítě se naklání směrem k arachnoidálním bradavicím. Jeho povrch je rozdělen tenkými žebry na stovky malých ploch neboli polí. Uprostřed každé oblasti vyčnívá velmi tenká arachnoidální trubice s otvorem kanálku arachnoidální žlázy nahoře (obr. 40, B).

Celkový počet cribelárních arachnoidálních trubic je obvykle velmi velký a například u Dictyna arundlnacea dosahuje 600 au Stegodyphus Uneatus dokonce 9600. Samci mnoha druhů se však vyznačují redukcí cribelárního aparátu. Každá trubice je spojena s vlastní malou arachnoidální žlázou; počet krubíčkových žláz je tedy velmi velký.

Poté, co pavouk vyloučil cribellar hedvábí, energicky ho pročesává kalamistrem jedné nohy (někdy s pomocí druhé), přičemž s ním dělá řadu rychlých, opakovaných pohybů. Výsledná „příze“ má velmi zvláštní charakter (obr. 42, B).

Dvě nebo čtyři axiální vlákna jsou obklopena poměrně širokou sliznicí nebo membránou. V něm je ponořena další nit stočená do četných smyček. Tento druh slizké sítě tvoří záchytné sítě, které mají velmi charakteristický namodralý odstín.

Uloborus a Hyptiotes staví geometricky pravidelné smyčky (viz obr. 132, 136, A), jejichž spirálovitý závit je vyroben z popsané slizniční nitě neboli šňůry. U ostatních Cribellatae je umístěn víceméně nepravidelně. Často je zkroucená cribelární nit uvnitř šňůry viditelná pouhým okem (Filistata, Zoropsis). Jeho význam je pravděpodobně čistě podpůrný a spočívá v podepření sliznice – spojky, která je obvykle velmi protáhlá a má válcovitý tvar. Pokud by neexistoval žádný zvlněný závit, spojka by se rozpadla na malé kapičky.

Slizniční provazce Cribellatae zjevně odpovídají adhezivním spirálovým nitím Araneus, které se zdají být vylepšením. Kapky lepkavého slizničního sekretu na vláknech Aranea jsou krátkodobé a horší při ulpívání a zamotávání kořisti. U Cribellatae jsou naopak sítě uchovány velmi dlouho a jejich lepivost je velmi vysoká.

Pozorováním Dictyna uncinata otáčející se zachycovací nitě je snadné vidět, že axiální nitky jsou vylučovány arachnoidálními bradavicemi a jejich slizniční adhezivní pouzdro je vylučováno přes cribelární desku (Spassky, 1958). Kribelární lovecká příze Eresus niger má charakter přilnavé „plsti“ růžovo-lila barvy (Sychevskaya, 1954).

Web jako prostředek šíření

Použití pavoučích nití není omezeno na různé budovy. Zpočátku nepochybně sloužily samicím pouze k přípravě zámotku a samcům k výrobě spermatu. Obě formace, jak jsme viděli, si plně odpovídají a mají stejnou povahu. Všechny ostatní případy použití pavoučích nití jsou sekundárního původu.

Kořist je při každém ulovení obalena pavučinou, a to i u těch druhů, které si doupě nebo pasti vůbec nestaví. A konečně, v mnoha formách ze široké škály čeledí slouží pavoučí vlákna jako aerostatický prostředek k šíření druhů. Mladí pavouci i dospělí z různých rodin létají vzduchem na vyvýšené předměty a zvednutím konce břicha nahoru uvolní dlouhou nit, která se šíří vzduchem (obr. 138). Pokud je nit dostatečně dlouhá, unášena proudem vzduchu, pavouk opustí substrát a je unášen na niti.

Každý zná tento fenomén, který je zvláště markantní na konci léta a začátkem podzimu a je charakteristický pro slunečné, jasné a klidné dny „indiánského léta“. Velkolepé jsou především mohutné podzimní přelety pavouků v jihoruských stepích. Podle D.E. Kharitonova (1950) zde můžete někdy vidět celé „létající koberce“ dlouhé až 4 a dokonce 10 m, vznášející se ve vzduchu a skládající se z mnoha propletených a zamotaných pavoučích vláken.

Vzduchem se rozptýlí Linyphiidae, Tetragnathidae, Thomisidae, Lycosidae, Theridiidae a mnoho dalších pavouků. V menší míře je tento jev pozorován na jaře (Erigone, Pachygnatha aj.). V některých případech jsou letecké lety nepochybně velmi užitečné při rozšiřování geografického rozsahu druhu. Byly popsány případy hromadného výskytu malých pavouků (Linyphiidae) létajících na lodě na otevřeném moři 200-360 km od nejbližšího břehu.