Как пауки делают паутину | Наука и жизнь
Пауки создают паутину, понижая кислотность в растворе с паутинными белками.
Паутина давно интригует исследователей своими уникальными характеристиками: при необычайной растяжимости и лёгкости она ещё и необычайно прочна. Если сравнивать паутинную нить со стальной проволокой такого же диаметра, то они выдержат примерно одинаковый вес. Но паутина в шесть раз легче, а значит, в шесть раз прочнее. Но едва ли не большая загадка – это как пауки её делают. Известно, что паутина состоит из белков, называемых спидроинами, которые изначально находятся в растворе, а потом как-то превращаются в твёрдую нить. Превращение происходит опять же в водном растворе (то есть белки не обезвоживаются), при обычной температуре и при том довольно быстро. Что же заставляет растворённые паутинные белки превращаться в твёрдую и гибкую нить?
Наука и жизнь // Иллюстрации
Открыть в полном размере
›
Спидроины – белки довольно крупные, состоящие в среднем из 3 500 аминокислот, большей частью организованных в повторяющиеся последовательности. Наиболее важными для создания паутинной нити являются аминокислоты на концах полипептидной цепи, и у разных пауков концевые последовательности спидроинов сходны между собой. Образуя нить, молекулы белков меняют пространственную структуру. Происходит это под влиянием градиента рН в паутинных железах пауков: в одном их конце кислотность выше, чем в другом, и в какой-то точке перепад рН заставляет спидроины приобретать особо прочную укладку.
Детали процесса попытались выяснить Марлен Андерссон (Marlene Andersson) и её коллеги из Института сельскохозяйственных наук в Упсале и Каролинского института. С помощью микроэлектродов они точно измерили кислотность в паутинных железах – и оказалось, что градиент рН более крутой, чем предполагалось, от нейтрального (рН=7,6) в глубине железы до довольно кислого (рН=5,7) в выводящем протоке. Одновременно удалось выяснить, что в паутинном аппарате по мере приближения к выходу растёт концентрация бикарбонат-ионов (остатков угольной кислоты) и количество СО2.
Исследователи пришли к выводу, что перепад кислотности создаётся благодаря ферменту карбоангидразе, которая из углекислого газа и воды делает угольную кислоту, которая, в свою очередь, существует в растворе в виде бикарбонат-ионов и «кислых» ионов водорода Н+. Дальнейшие эксперименты подтвердили предположение о карбоангидразе как создателе «паутинного» кислотного градиента.В статье в PLoS Biology авторы работы пишут, что кислотность среды по-разному влияла на разные концы молекулы спидроина. Если один из концов полипептидной цепи (N-конец) в кислой среде слипался с другими N-концами других спидроиновых молекул, и чем выше была кислотность (чем ниже рН), тем стабильней была структура N-концов, то другой конец белка (С-конец), наоборот, терял стабильность с понижением рН и оставался без какой-либо оформленной структуры до самого последнего момента, когда белок принимал окончательную «паутинную» структуру. То есть на разные участки одной и той же молекулы изменение химической среды действовало по-разному.
Но это не всё – С-концевой конец паучьих спидроинов, как оказалось, похож на амилоидные белки, которые образуют белковые отложения в нервных клетках при нейродегенеративных болезнях (синдроме Альцгеймера, например). Амилоидные белки образуют полимерные комплексы в виде длинных нитей, тяжей, оседающих в нервной ткани. Очевидно, в случае паутины механизм в чём схож: неструктурированный конец спидроина нужен, чтобы молекулы белков быстро слипались в нить. Причём в «паутинную» структуру С-конец переходит внезапно, когда кислотность среды достигает рН=5,5, до этого момента он, напомним, остаётся неструктурированным и неоформленным.
Однако, если бы молекулы спидроинов слипались, как им вздумается, то паутинной нити не получалось бы. Чтобы каждая молекула знала своё место, существует N-конец, который по мере возрастания кислотности только сильнее стабилизируется и крепче держится за соседние молекулы. Благодаря N-концу белки знают своё место в формирующейся нити паутины, ещё не затвердев, она приобретает структурированность. Ну а скрепляющим «цементом» в конце концов служит С-конец. Инженеры давно хотят сделать лабораторную паутину; возможно, новые сведения относительно паутинных белков им в этом помогут.
Из чего состоит паутина и как пауки плетут свои ловушки?
Многие животные умеют строить жилища и ловушки при помощи подручных средств. Например, практически все птицы вьют себе гнезда, а пчелы — создают огромные ульи. Но одни из самых сложных структур создают пауки, которые выделяют из своих желез паутину и плетут ловушки для своих жертв. Когда добыча попадается на липкие нити, каждый паук скорее спешит к ней, чтобы прыснуть в него ядом для превращения всех внутренностей в питательную смесь. Ученые на протяжении многих лет следят за этими удивительными созданиями и каждый раз открывают что-то новое. Например, недавно ученые из американского штата Мэриленд использовали камеры ночного видения и искусственный интеллект, чтобы лучше понять метод плетения паучьей паутины. Получилось довольно интересное видео.
Искусственный интеллект подсказал, как пауки плетут свою паутину
Содержание
- 1 Что такое паутина?
- 2 Как плетется паутина?
- 3 Как пауки ходят по паутине?
- 4 Как пауки создают сложную структуру паутины?
Что такое паутина?
Паутина — это секрет паутинных желез, которые расположены в задней части тела каждого паука. Внутри железы это вещество находится в жидком состоянии, но как только оно попадает на воздух, моментально застывает в виде нитей. Главным компонентом паутинной нити является белок фиброин, который в контакте с воздухом придает ей прочность. Считается, что одна нить паутины в несколько раз прочнее человеческого волоса такой же толщины. У пауков есть несколько типов желез, каждая из которых производит определенный тип паутины. Одна разновидность нужна для создания основы ловушки, другая используется для плетения «ловчей» сети, третья — для связывания жертвы и так далее.
Паук выпускает паутину из паутинной железы
Как плетется паутина?
Основой каждой паучьей ловушки являются несущие нити в количестве 3-4 штук. Это самая прочная часть паутины. На основу крепятся радиальные нити, каждый конец которых крепится к опоре в виде ветки дерева, листьев растений и так далее. На радиальные нити паук наносит ловчую спираль, которая является самой липкой частью ловушки. Именно на нее и попадаются жертвы пауков — чтобы добыча не смогла освободиться, хищник быстро к ней прибегает и впрыскивает яд. Эти вещества превращают внутренности попавшихся в сеть насекомых в питательную массу, которую пауки просто всасывают в себя.
Строение паутины
Как пауки ходят по паутине?
Если паук наступит на ловчую сеть, он легко может в ней запутаться. Чтобы этого избежать, членистоногие касаются их только кончиками ног, которые покрыты большим количеством волосков — они уменьшают площадь контакта с клейкими веществами. Вдобавок к этому, конечности пауков обладают определенной долей маслянистости, что препятствует приклеиванию. Когда паутина уже полностью готова, хищники вовсе стараются ходить только по радиальным нитям.
Пауки не запутываются в паутине, потому что знают, как правильно по ней ходить
Как пауки создают сложную структуру паутины?
По данным научного издания Science Alert, недавно ученые из Университета Джона Хопкинса использовали камеру ночного видения и искусственный интеллект, чтобы проследить за каждой из восьми конечностей пауков во время плетения сети. По словам исследователя Эндрю Гордуса (Andrew Gordus), во время прогулки с сыном он задумался: как крошечный мозг пауков позволяет им плести настолько сложные узоры?
Расположение головного мозга паука
В качестве подопытных животных они взяли шесть не ядовитых пауков вида Uloborus diversus. Они не вырастают больше нескольких миллиметров и обитают в США. Используя инфракрасные камеры они снимали процесс плетения паутины. Так как обычному человеку было бы слишком сложно проследить за движением каждой конечности пауков, они обучили нейросеть отслеживать 26 точек: основание тела пауков, бедренную и большеберцовую кость каждой ноги, а также переднюю и самую заднюю точки тела.
Паук вида Uloborus diversus
Оказалось, что каждый паук плетет паутину по одному и тому же алгоритму. Объяснять каждое их движение нет смысла — это слишком долго и нудно, поэтому лучше просто посмотреть видео ниже. То, что движения конечностей у пауков одинаковы, означает, что инструкция по плетению ловушек заложена в них на генетическом уровне. В будущем ученые хотят узнать, какие именно участки мозга активируются у пауков во время плетения паутины.
Видео от Университета Джона Хопкинса
Ссылки на интересные статьи, смешные мемы и много другой интересной информации можно найти на нашем телеграм-канале. Подпишитесь!
У некоторых пауков есть опасные враги — жуки-убийцы вида Stenolemus. Недавно ученые узнали, что эти создания очень хитрым образом приближаются к паукам и съедают их. Узнать подробности об этом открытии и посмотреть видео можно на нашем сайте.
Животные ЗемлиЗагадки природыИскусственный интеллект
Из чего сделаны паутины? И как?
Оса-паук ( Argiope bruennichi ) на паутине
© AlisLuch/Shutterstock.
Узнайте, как пауки-плетущие паутину делают то, что они делают, и узнайте о впечатляющем многоцелевом материале, который они используют, чтобы поймать свой обед.
Пауки плетут паутину из шелка, натурального волокна, состоящего из белка.
Шелк паука не только сочетает в себе такие полезные свойства, как высокая прочность на растяжение и растяжимость, он сам по себе может быть красивым.
Ян говорит: «Шелк — удивительный материал. Золотые шелковые ткачи, обитающие в теплых регионах по всему миру — но, к сожалению, не в Великобритании, — плетут паутину с прекрасным золотым блеском. Их шелк даже использовался для создания мерцающего золотого плаща, который был выставлен в Музее Виктории и Альберта в 2012 году».
Британские пауки производят шелк белого или голубоватого оттенка.
Существует семь различных шелковых желез, которые производят шелк с различными характеристиками и назначением. Например, крибеллатный шелк очень пушистый.
Ян Беккалони, куратор Музея паукообразных, добавляет: «Шелк Cribellate действует как липучка, прилипая к ногам и щетинкам пойманных насекомых».
Каждый тип шелковой железы связан с определенной фильерой. Ни у одного вида нет всех семи, но у ткачей-кругопрядов их пять.
Золотые шелковые круготкачи ( Нефила видов) пряжа блестящего желтого цвета
© Claire E Carter/Shutterstock.com
Золотая накидка, сотканная из паучьего шелка, выставленная в Музее Виктории и Альберта в 2012 г.
© Cmglee (CC BY-SA 3.0), через Wikimedia Commons
Как пауки плетут свои сети?
Паук, плетущий паутину из шелка, вытягивая нить задней лапой
© Ian Fletcher/Shutterstock.com
У пауков есть структуры, называемые фильерами, на брюшке, обычно на нижней стороне сзади. Это органы шелкопрядения. У разных видов разное количество фильер, но у большинства из них есть группа.
В конце каждой фильеры имеется набор втулок, напоминающих насадки. Из каждой выходит одна шелковая нить.
Ян объясняет: «Хотя это немного похоже на насадку для глазури, шелк вытягивается под действием силы тяжести или задней лапы паука. Шелк жидкий, когда он внутри паука.
Прежде чем выдавливаться из фильеры, крибеллатный шелк сначала проходит через ситообразную структуру, называемую крибеллум. Пауки, производящие этот тип шелка, также имеют ряд специальных щетинок на ногах, называемых каламиструмами, которые расчесывают шелк и придают ему другую, шерстяную текстуру.
Затем пауки следуют различным схемам деятельности, чтобы построить свою паутину, в зависимости от того, к какому виду они относятся. Это увлекательно смотреть.
Все ли пауки плетут паутину?
Хотя паутина является наиболее известным способом использования паутины, не все пауки плетут паутину, чтобы поймать свою добычу. Фактически, менее половины из 37 семейств пауков в Великобритании таковы.
Другие пауки, такие как пауки-крабы из семейства Thomisidae, являются хищниками, которые «сидят и ждут» — например, Misumena vatia прячется на цветочных головках, ожидая нападения из засады на насекомых. Другие, такие как пауки-прыгуны из семейства Saltidae, активно следуют за своей добычей и ловят ее, прыгая на нее.
Паук-краб, Misumena vatia, , подстерегающий добычу из засады со своего цветочного наблюдательного пункта.
Изображение предоставлено Pixabay (CC0).
Паук-скакун, Salticus Scenecus , атакующий муху
© Адам Опиола (CC BY-SA 4.0), через Wikimedia Commons
Некоторые пауки даже проникают в другие паутины в поисках пищи. Пауки-пираты, которых в Великобритании насчитывается четыре вида из рода Ero , заходят в паутину другого паука и имитируют поведение своей добычи, чтобы заманить паука поближе. Когда владелец паутины проводит расследование, паук-пират атакует.
Шелк: многоцелевой материал
Паук-скакун выглядывает из своего укрытия из шелковой клетки
© Джуди Галлахер (CC BY 2.0), через Flickr
Тем не менее, даже пауки, которые не плетут паутину, используют шелк, в том числе для создания площадок для линьки, сетей спермы для самцов и укрытий.
Ян добавляет: «Пауки-прыгуны, например, строят маленькие шелковые ячейки, в которых прячутся в течение дня — немного похоже на спальный мешок».
Большинство пауков используют шелк, чтобы обернуть яйца.
Еще одно распространенное использование шелка — это канат. Время от времени паук прикрепляет к чему-нибудь шелковую нить, например к якорю, так что если он упадет, то не упадет слишком далеко и сможет вернуться в предыдущее положение.
Полеты на воздушном шаре — еще одно эффектное использование шелка, позволяющее массово расселять паучков и маленьких взрослых особей.
Забравшись на относительно высокую точку, паук направляет брюшко вверх и вытягивает от одной до нескольких нитей. Когда воздух или электростатические токи уносят нити вверх, паук следует за ними. Их можно нести на многие тысячи метров.
Поле, покрытое шелком, после массового рассеивания пауков на воздушном шаре
© Stephen Michael Barnett (CC BY 2.0), через Flickr
Массовое рассредоточение денежного паука, в частности, представляет собой настоящее зрелище. Иногда вовлеченные числа могут оставить целое поле, покрытое тонкими нитями.
Ян говорит: «Не все пауки рассеиваются таким образом, но именно поэтому пауки являются одними из первых существ, которые колонизируют новые острова».
Больше фактов о паутине
Теперь, когда вы знаете, как пауки плетут свои сети, откройте для себя их впечатляющее разнообразие. Британские паутины можно разделить на семь основных типов в зависимости от их архитектуры: шар, лист, клубок, воронка, кружево, радиальная и сумочка. Но даже внутри каждой группы разные виды вносят свой вклад в стиль.
Паук-ныряльщик ( Argyroneta aquatica ), вероятно, имеет самое необычное использование своей паутины, которая позволяет ему проводить большую часть своей жизни под водой — уникальная способность среди пауков. Он строит сеть из шелка между подводной растительностью и использует ее для сбора пузырьков воздуха — собственного водолазного колокола.
Спросите в Смитсоновском институте: как пауки плетут свои сети? | В Смитсоновском институте
Пауки — опытные инженеры, одаренные удивительными навыками планирования и материалом, который позволяет им точно проектировать строгие и функциональные сети.
Материал — шелк паука — обладает химическими свойствами, делающими его блестящим, прочным и легким. Он прочнее стали и обладает впечатляющей прочностью на растяжение, то есть его можно сильно растянуть, прежде чем он сломается. Ученые десятилетиями пытались расшифровать, что именно придает шелку прочность и эластичность, но пока они находят только подсказки.
Каждый отдельный паук может производить до семи различных типов шелка, но чаще всего от четырех до пяти видов, говорит Джонатан Коддингтон, директор Global Genome Initiative и старший научный сотрудник Смитсоновского национального музея естественной истории.
Пауки используют свой шелк для нескольких целей, включая создание паутины. Такое разнообразие нетрудно представить, учитывая, что, согласно Всемирному каталогу пауков, на Земле обитает 45 749 видов пауков. Численность постоянно меняется с частым открытием новых видов.
Зачем плести паутину? Они служат «в значительной степени как для нападения, так и для защиты», — говорит Коддингтон. «Если вы собираетесь жить в паутине, это будет защитная структура», — говорит он, отмечая, что вибрации в нитях могут предупредить пауков о хищниках. Паутина также используется для ловли добычи, говорит Коддингтон, чьи исследования частично сосредоточены на эволюции и таксономии пауков.
Иногда пауки поедают собственную паутину, когда заканчивают с ней, чтобы пополнить запасы шелка.
Шелк паука состоит из связанных белковых цепочек, которые делают его прочным, а также из несвязанных областей, которые придают ему гибкость. Он вырабатывается во внутренних железах, переходя из растворимой формы в затвердевшую форму, а затем скручивается в волокно с помощью фильеры на брюшке паука.
Многочисленные фильеры и восемь ног пауков пригодятся для создания паутины. По словам Коддингтона, архитектура паутины очень специфична для каждого вида. «Если вы покажете мне паутину, я смогу сказать вам, какой паук ее сделал», — говорит он, добавляя, что пауки «самоуверенны» в том, где они будут плести паутину. Некоторые могут чувствовать себя как дома на дне бумажного стаканчика, в то время как другие не будут касаться этого пространства.
Большинство веб-строительств происходит под покровом темноты.
Типичный паук-круготкач (группа, наиболее знакомая американцам) строит плоскую паутину-шар, подвешенную на семи растяжках, прикрепленных к листьям, веткам, камням, телефонным столбам или другим поверхностям. Свисая с листа или какого-либо другого предмета, паук должен перебрасывать свой шелк с этой точки на другие поверхности.
Паук начинает с того, что четвертой ногой вытягивает шелк из железы. Противоположная четвертая нога используется для вытягивания нескольких нитей шелка примерно из 20 дополнительных шелковых желез, создавая структуру, подобную воздушному шару. Паук терпеливо сидит, зная, что в конце концов теплый ветерок поднимет воздушный шар, который унесет первую нитку шелка.
В конце концов шелковая нить воздушного шара цепляется за коряги, и, подобно рыболову с рыбой на леске, паук чувствует попадание. Он дергает, чтобы убедиться, что шелковая нить действительно прикреплена, затем вытаскивает новую шелковую нить и прикрепляет ее к тому, на чем она сидит, и начинает собирать зацепившуюся нить, подтягивая себя к конечной точке, все время раскладывая новый шелк позади это. Этот новый шелк — первая планарная линия. Паук может сделать это 20 раз, создавая сеть сухих (не липких) шелковых линий , дугообразных во всех направлениях.
Затем паук должен определить, какие из этих линий составляют семь хороших точек крепления — они должны быть в плоскости и «полезно распределены по кругу, который будет занимать паутина», — говорит Коддингтон. Паук отрезает 13 линий, которые он не будет использовать. «Теперь, когда у вас есть семь необходимых вам привязанностей, вам больше не нужно прикасаться к земле, листьям, веткам, чему-либо… вы находитесь в своем собственном, возможно, солипсическом мире».
Затем паук начинает плести свою паутину, процесс относительно простой и предсказуемый. Он начинается снаружи и продвигается внутрь, прикрепляя сегмент за сегментом своими ногами, создавая концентрические круги и заканчивая центральной спиралью из липкого шелка, которая улавливает столь необходимую добычу — вся энергия, вложенная в создание паутины, истощает запасы белка.
Липкое вещество просто обездвиживает добычу. Смертельный удар исходит от пасти паука. «Большинство пауков атакуют зубами, — говорит Коддингтон. «Они просто пробираются и кусают эту штуку до смерти». Однако это рискованное предложение, потому что жертва может не совсем застрять.
Несколько семейств пауков разработали альтернативный способ нападения: атаку липкой шелковой пленкой. Эти пауки кладут на землю прядь липкого шелка. Когда насекомое проходит, вибрация предупреждает паука, который затем атакует, стряхивая полосы липкой прочной ткани вокруг насекомого и оборачивая его до тех пор, пока оно не будет полностью обездвижено. Затем паук приближается для смертельного укуса. Но это скорее редкость, чем правило в мире пауков.
Многие исследователи изучают поведение пауков и паучий шелк в надежде когда-нибудь получить этот материал или воспроизвести его с помощью генной инженерии. Шелк можно было использовать, например, для увеличения прочности бронежилетов или для создания кожных трансплантатов.