Павутиння (біоніка)

Павутиння (біоніка)

Нитка павука в 30 раз тонша за людську волосину і в 6 разів міцніше сталі і нейлону. Її еластичність унікальна: вона може розтягуватися до 30% і потім повертатися у вихідне положення.

Павуки – інженерні генії природи, найдавніші мешканці нашої планети, що заселили сушу більше двохсот мільйонів років тому. Вони нещадні хижаки, умілі мисливці, природжені архітектори. Здавна були символом мудрості, працьовитості, хитрості, таємниці, небезпеки. Одні бояться їх до хворобливого стану, інші захоплюються і зводять у ранг героїв. Казкова людина-павук завоювала серця не одного людського покоління.

Стрибуни, мисливці, водяні, отруйні… павуки – це членистоногі, які звикли жити в тіні. На планеті 42 тис. тільки відомих видів павуків.

Творіння павука – павутина. Вчені більше двохсот років думають над тим, як отримати волокно подібне до найтоншої нитки природи. Павуки використовують свою павутину для самих різних цілей. Вони роблять з неї кокони для яєць, будують з неї притулок для зимівлі, використовують як страхувальний канат при стрибках, плетуть хитромудрі мережі і загортають у них спійману здобич. Павутиноіндустрія для павуків – це практично все життя. Вона потрібна їм для розселення, для переживання несприятливих умов, для добування їжі і, головне, для розмноження. Оскільки павутина виділяється в зовнішнє середовище, і вона повинна в ній триматися, вона стійка до впливу температури, всяких кислот, вітру і т.д.

Павутина у кожного павука своя: різної форми, різного призначення. Наприклад, тарантули не прядуть типові павутини, але часто використовують шовк, щоб вирівняти або захистити свої нори. Павутиною тарантул зміцнює житло. Його нора нагадує залізничні тунелі або водопровідні труби з теплоізоляцією. Як і тарантул, павук – птахоїд підсилює своїм «шовком» нірку, в якій живе, але для свого житла він робить щільну кришку-люк, зовсім як партизани під час війни. Витончену і геометрично правильну мережу створює павук-хрестовик, точніше павучиха. Її павутина завжди однакова: 39 радіусів, 1245 точок прикріплення радіусів до спіралі і 35 круглих витків.

Забравшись на гілку або стовбур дерева, вона випускає зі свого черевця довгу нитку-павутину і чекає, коли потік повітря підхопить. Будує каркас, а потім вже з цього каркасу не поспішаючи робить спіраль. Усередині цієї рами павучиха простягає кілька ниток, які перетинаються в центрі. Це так звана радіальна або каркасна нитка – предмет людської заздрості, надзвичайно міцна й еластична. Міцність цих ниток перевершує навіть сталевий дріт того ж діаметру.

Як же павуку вдається витримувати такий правильні геометричний візерунок? Споруда павутини запрограмована у павука в геномі. З генома модулюється в нервову систему і павук як машина виконує це раз за разом. Кути між усіма радіусами і відстанями між витками павукової спіралі строго постійні. Навіть якщо припустити, що проект конструкції і креслення у павука закладені генетично, все одно для звірки кутів потрібен хоча б найпростіший вимірювальний прилад. Біологи стверджують: вся справа в першій парі ніг волохатого будівельника. Саме ці ноги виконують функцію масштабної лінійки. Ними павук вимірює відстань між оборотами спіралей. Природний інструмент настільки надійний, що дозволяє працювати в непроглядній темряві.

Можливо павуки і не найпривабливіші створіння, але от їх творіння – павутина не може не викликати захоплення. Архітектори всього світу намагаються повторити цю ажурність і міцність підвісних конструкцій, розкинутих серед лісів, натягнутих через річки, окутавши земляні і деревні нори. Всі ці незвичайні павукові конструкції надихають архітекторів, дизайнерів і будівельників ні одне десятиліття, але поки людство отримує лише грубу підробку ваблячою мережі.

Безліч мостових конструкцій має відношення до біоніки. У квітні 2012 в каньйоні Дехан (Китай) на висоті 355 м над величезною прірвою відбулося відкриття мосту Айчжай – одного з найдовших та унікальних висячих мостів у світі. Довжина його прольоту від одного тунелю до іншого – 1176 метрів. Це унікальна споруда в стилі висячих мостів.
Китай, Японія і США. Тут найкрасивіші та унікальні мости. Архітектори цих трьох країн змагаються між собою вже друге століття, але ідея вантових висячих мостів належить не їм. Першим це побудував павук. Коли ми дивимося на павутину, основне на що ми звертаємо увагу як вона переплітається.

Ажурне мереживо південноамериканського павука нефіла: радіус павутини досягає 15 м. З висоти дерева або уступу скелі волохатий інженер спускає довгу нитку, на кінці якої він розгойдується як на гойдалці. Вітер підхоплює його і переносить через урвище. «Канатна дорога» готова. Навколо неї і починається будівництво павутини – моста. Тільки мета моста – не рух машин, а полювання. Там застряють великі тропічні метелики і навіть іноді дрібні птахи.

Павук при плетінні своєї павутини використовує різні нитки. Наприклад, спіральні нитки відрізняються липкістю. За міцність конструкції відповідають радіальні. Саме радіальну нитку інженери взяли за основу підвісних мостів. Троси – ванти тримають все дорожнє полотно. Принцип павутини дає велику економію матеріалів і зниження загальної ваги конструкції. Сама павутина працює на розтягуванні. На сьогоднішній день висячі мости найкрасивіші, але до ажурності природного прототипу їм ще дуже далеко. Естетику шовкової мережі намагаються втілити художники і дизайнери всіх країн.

Складний процес прядіння павутини відтворити поки не вдається. Але проблема не в тому, щоб отримати білок павутинного шовку. Необхідно змоделювати сам процес прядіння, а цьому вченим ще належить навчитися у природи.

Виробництво вуглецевих волокон багато в чому нагадує павуковий волохатий «заводик – черевце». Хімічна основа – складний білковий полімер фіброїн. Ця в’язка рідина утворюється в безлічі залоз черевця. З черевця полімерна рідина через найтонші трубочки продавлюється назовні і при зіткненні з повітрям твердне. Так виходить павутина.

Замість залоз людина придумала спеціальні прядильні трубочки в діаметрі декілька мікрон. Люди роблять це на своїх прядильних машинах, витягаючи це волокно між обертовими циліндрами. Павук це робить власною вагою і створює такі тонкі і суперміцні волокна, які людина поки не змогла повторити. І ще унікальність цих волокон в тому, що скільки б ви не крутили ці волокна в одну сторону, вони ніколи не перекрутяться.

З чого складається волокно павука і як отримати аналог природної нитки? Нитка павука – це геніальний винахід природи. Нитка павука в 30 тонша за людську волосину і в 6 разів міцніша за сталь і нейлон. Її еластичність унікальна: вона може розтягуватися до 30% і потім повертатися у вихідне положення. Вона настільки тонка і легка, що достатньо всього 340 г, щоб оперезати нею землю по екватору. Вчені навчилися створювати штучні аналоги павутини, але до досконалості природного полімеру їм ще далеко.

Каркасна нитка павутини складається з двох білків: більш міцного спідроіна – 1 і більше еластичного спідроіна – 2. Саме їх поєднання визначає унікальну властивість павутини. Унікальна павутина еластичніше нейлону, тверда як скло, жорстка як сталь. Синтезувати подібного роду складні білки в лабораторії хімічним шляхом неможливо. Робилися спроби отримувати павутину природним шляхом. Були навіть винайдені різні прилади для «доїння» павуків. Але цей процес трудомісткий і тривалий і вимагає залучення безлічі павуків: для виробництва 500 г волокна знадобиться 27000 павуків середнього розміру.

Зрозуміло, що продуктивність членистоногих навряд чи зможе задовольнити промислові запити. Людство не змогло отримати потрібного обсягу шовку від павука, зате зуміло розібратися в ДНК природного «архітектора». Генні інженери поставили перед собою задачу отримати ці гени штучно і на основі інших організмів створити фабрики з виробництва цього білка, щоб це було рентабельно.

У США така фабрика з виробництва білка існує вже кілька років. Професор біології Рендольф Льюїс (Randolph Lewis) показує своїх вихованців – кіз. Павуковий ген підсадили в ДНК кіз і тепер в їх молоці утворюється специфічний білок, той самий, який виробляють залози павука при плетінні мереж. Найтоншу нитку в 1/5 людської волосини отримали з молока трансгенної кози. Цей білок сам по собі тягнеться як нитка.

Павукоподібних кіз або козеподібних павуків створюють в спеціальній лабораторії, щодня працюючи над отриманням потрібного ембріона. У кози беруть зразок шкіри і виділяють з неї клітини. Їх ростять в інкубаторі, а потім поміщають в пробірку, де знаходяться розчинені гени павука. Виходить розчин, в якому окремо плавають клітини кози і павукові гени, їм ще належить проникнути в ядро клітини і вбудуватися в ДНК кози. З 50 000 клітин кози лише одна прийме ген павука.

Російські вчені мономер аланін, зібраний в блоки по 6-8 амінокислот (блок з аланінових повторів визначає міцність павутиння) клонували в плазміду і вже у складі плазміди ампліфікували його, тобто розмножили.

Ген павука вбудували в плазміду. Плазміда – це закільцьований фрагмент ДНК мікроорганізму, в генетиці використовується для пересадки чужих генів, приживлюваність чужорідного тіла 80%. У лабораторії Богуша з плазмідами працюють з часів Хрущова. Після того, як ген павука прижився, плазміду вбудовують в інші структури. Вирішили працювати з дріжджами. Ці плазміди разом з генами павуків ввели в дріжджі і отримали дріжджі – продуценти білків спідроіна – 1 і спідроіна – 2. На дріжджах рекомбінований павуковий білок росте дуже швидко. Дріжджі дозволяють отримувати велику кількість потрібного матеріалу.

З отриманого висушеного білка, що нагадує ватку, отримують абсолютно прозорий розчин, з якого і готують різні вироби:
гель (гель на основі павутинного білка використовується в медицині – желеподібну речовину вводять через шприц у глибокі рани або пошкоджений орган, тимчасово заміщуючи шкіру або інші тканини). У спідроіна практично немає негативно заряджених амінокислот, там є тільки позитивно заряджений аргінін, тобто цей білок позитивно заряджений. Це досить важливо, тому що майже всі клітини в організмі на поверхні несуть негативний заряд. Тобто білок павука несе позитивний заряд, організм людини – негативний, молекули притягуються і міцно з’єднуються. Це дозволяє павуковому білку проникати в організм людини.

прозорі плівки (через таку плівку можна навіть читати), товщиною вони 100 мікрон, досить гнучкі, до того ж вони мають пори, тобто їх можна використовувати для ран і при опіках. При зіткненні зі шкірою людини або оголеними пошкодженими тканинами плівка починає «дихати», пропускаючи через невидимі пори воду і кисень і не дає проникнути в організм бактеріям, тобто захищає від інфекції. На підставі спеціальних дослідів було доведено, що всі матеріали на підставі павутини прекрасно «садять» на себе клітини і клітини прекрасно себе почувають, починають розмножуватися, продукують біологічно активні речовини. Сьогодні плівки Богуша використовують в опікових центрах.

У Німеччині ось уже пару років з павутини роблять нерви. Відкриття в області мікрохірургії нервової тканини зробили німецькі дослідники з Ганновера. Павутина золотопрядів нефілів представляє з себе міцний пружний матеріал для зрощування нервів. Поки нерви з павутини отримують тільки в лабораторних масштабах. Німецькі дослідники впевнені, за нервами з павутини майбутнє мікрохірургії. Павутина може вирішити багато проблем людства. На думку вчених за геном павука майбутнє трансплантології.

Павутина – не єдина загадка павука. Будова ніг і тіла, здатність пересуватися по будь-яких поверхнях – ще одна головоломка для людей.

Залишити коментар