أرق من خيوط العنكبوت ، لكنها أقوى من الفولاذ. الألغاز على الويب خيوط رفيعة للويب

الويب هو سر الغدد العنكبوتية ، والتي بعد وقت قصير من إفرازها ، تتجمد في شكل خيوط. بطبيعته الكيميائية ، هو بروتين مشابه في تركيبته لحرير الحشرات ، وهذا البروتين غني بالجليسين والألانين والسيرين. داخل الغدة العنكبوتية ، يوجد في شكل سائل. عند اختياره من خلال العديد أنابيب الغزلالفتح على السطح الثآليل العنكبوتية، هناك تغيير في بنية البروتين ، مما يؤدي إلى تصلب في شكل خيط رفيع. بعد ذلك ، يقوم العنكبوت بتشبيك هذه الخيوط الأولية في ألياف عنكبوتية أكثر سمكًا.

أشهر استخدام للعناكب للويب هو بناء شبكات محاصرة ، والتي ، حسب الهيكل ، قادرة على شل حركة الفريسة تمامًا ، أو إعاقة حركتها ، أو الإشارة فقط إلى مظهرها. غالبًا ما يتم أيضًا لف عناكب الفريسة التي يتم اصطيادها في شبكة.

تقوم العناكب بتدوير شبكة تلعب دورًا مهمًا جدًا في حياتها ، وتجد مجموعة متنوعة من الاستخدامات لها. هذه هي شرانق العنكبوت ، حيث تنمو الأشبال الصغيرة من البيض في الدفء والأمان ؛ وشريان الحياة مثل حبال التسلق التي تعلق على النباتات وتمنع العنكبوت من السقوط على الأرض. من الويب ، تصنع العناكب أعشاشًا لفصل الشتاء ، وأخيراً تنسج شباك الصيد.

يمكن أن تقوم العناكب بتدوير خيوط مختلفة لأغراض مختلفة. إذا كنت بحاجة إلى خيط لشبكة محاصرة ، فإن الغدد الخاصة الموجودة بجوار خيوط العنكبوت تغطيه بطبقة من المادة اللاصقة. للانتقال من مكان إلى آخر أو لإرفاق شبكة ملائمة ، يتم إنتاج خيط جاف. تفرز الغدد الأخرى المواد التي يتم غزل الخيط منها لتحريف شرنقة. خيط الشبكة أقوى من السلك الفولاذي من نفس القطر ويمكنه ، دون أن ينكسر ، أن يمتد لثلث آخر من طوله ، ولكي لا يدخل في شبكته الخاصة ، ينتج العنكبوت باستمرار خيطًا جافًا صغيرًا. إنه يعرف جيدًا مكان وجود المناطق الآمنة ، ويختبئ في إحداها وينتظر بصبر حتى تسقط الضحية في الشبكة. بالإضافة إلى ذلك ، تفرز أرجل العنكبوت مادة زيتية ، بسبب أنها لا تلتصق بالويب.

يبدأ العنكبوت في نسج الويب ، وإلقاء الخيط في الريح. يطير الحرير في مهب الريح ويتشبث بشيء ، مثل غصن الشجرة ، والذي يسمح للعنكبوت بتسلق هذا الخيط وإضافة خيط آخر إلى الخيط الأصلي لجعله أقوى. بعد أن يصنع العنكبوت الملامح العامة للويب ، يقوم بتدوير خيط يربط جانبًا واحدًا من الويب بالآخر. من وسط هذا الخيط المتصل يبدأ العنكبوت في غزل خيط آخر، والذي سيربط مركز الويب بالخيط الجانبي.

بعد ذلك ، سيضع العنكبوت الكثير من الخيوط التي تربط الخيوط الجافة من حواف الشبكة على طول نصف قطرها إلى المركز ، مثل مكابح في عجلة دراجة. ثم تُضفر "إبر الحياكة" بخيوط دائرية. اتضح شبكة جافة لولبية. ثم يتم وضع خيط لاصق على سطح النسيج الجاف. الآن يتخلص العنكبوت من الشبكة الجافة - يأكلها. تم الانتهاء من معدات الصيد ، أصبحت أفخاخ الحشرات جاهزة.

خيوط العنكبوت- مادة غير عادية. من مميزاته ،مع خفة الويب غير العادية- قوة عظيمة.قوة الكسر ، معبراً عنها بالكيلوغرام لكل 1 مم 2 ، في شبكة العناكب تتراوح من 40 إلى 261 ، وفي اليرقة والحرير الصناعي ، على التوالي ، لا تتجاوز 43 و 20.خيط رفيع من الحرير يمكن أن يوقف طائرة بوينج 747.

في القرن السابع عشر ، لفت المهندسون الانتباه إلى الويب ، أي إلى حقيقة أنه هيكل ميكانيكي عقلاني للغاية يعمل في حالة توتر بحيث تكون جميع الخيوط في أفضل الظروف من حيث القوة المادية.

ينعكس أي انتهاك للجهاز العصبي للعناكب على الفور في نمط الويب. أعطيت العناكب مواد مختلفة ، وفي كل مرة نسجوا نمطهم الخاص ، والذي يتوافق بدقة مع مادة معينة.

كان هذا الاكتشاف مفيدًا بشكل غير متوقع في علم الطب الشرعي. من خلال إعطاء عنكبوت قطرة من دم شخص يشتبه في أنه قد تعرض للتسمم ، يمكن لطبيعة الرسم أن تحدد السم الذي تسمم به الشخص.

لماذا لا يتشابك العنكبوت في شبكته مثلما يتورط ضحاياه فيه؟ وهذا يحدث لأن العنكبوت يعمل دائمًا فقط على طول الخيوط الشعاعية الملساء ، وليس على طول الخيوط اللزجة ومتحدة المركز.

في إسبانيا ، تم العثور على أقدم شبكة أحفورية بها حشرات ملتصقة (في قطعة من الكهرمان) ، يبلغ عمرها 110 مليون سنة.

العناكب حساسة للغاية. يمكن لسلوكهم التنبؤ بالطقس. إذا طورت العناكب نشاطًا قويًا في المساء - انتظر طقسًا جيدًا. إذا حدث هذا في الصباح ، فسيكون الطقس عاصفًا.

التركيب الكيميائي للشبكة قريب من حرير اليرقات الفراشة. من شبكة عناكب نيفيل ، التي توجد في الجزر الاستوائية ، صنع الصينيون نسيجًا متينًا يسمى "ساتان البحر الشرقي". في أوروبا ، تم خياطة الملابس الجميلة من الويب.

يستخدم الصيادون البولينيزيون خيط العنكبوت الذهبي على شبكة الإنترنت كخط للصيد.
استخدمت بعض القبائل في غينيا الجديدة الشباك كقبعات لحماية رؤوسهم من المطر.

وزن الويب هو أنه إذا قام الويب بلف الأرض حول خط الاستواء مرة واحدة ، فسيكون وزنه 450 جرامًا فقط.

لماذا يحتاج العنكبوت إلى شبكة؟

يعتقد معظم الناس أن العناكب تستخدم الحرير فقط لغزل شبكاتها. في الواقع ، نادرًا ما يستخدم الحيوان الحرير بطريقة متعددة الاستخدامات مثل العنكبوت ، مما يجعل المنازل منه ، ونسج "خطوط الحياة" و "أجراس الغوص" و "الطائرات" و lasso والفخاخ المرنة والشبكة المعروفة .

العناكب ليست حشرات ، لكنها تنتمي إلى فئة العنكبوتيات. على عكس الحشرات ، لديهم ثمانية أرجل ، في معظم الحالات ثماني عيون ، بلا أجنحة ، والجسم مقسم إلى جزأين.

توجد العناكب في أي مناخ تقريبًا. يمكنهم الركض على الأرض ، وتسلق الأشجار وحتى العيش في الماء. ولهذا يحتاجون إلى شبكة ...

يعمل العنكبوت أنواع مختلفةالحرير: حرير لزج للشبكات التي ينبغي أن تصيد الحشرات ، وحرير متين وغير لاصق لخطوات الويب ، وحرير خاص للشرانق.

حتى الشبكات التي تنسجها العناكب تأتي بأشكال مختلفة تمامًا. الأكثر شيوعًا هي شبكة الويب المستديرة ، ولكن هناك أيضًا شبكات مربعة ، مسطحة وعلى شكل قمع أو قبة. توجد شبكات ذات أغطية حتى لا تفلت منها الفريسة ، فبعض العناكب تبني منزلًا على شكل جرس يقع بالكامل تحت الماء.

يستخدم العنكبوت شبكته عند بناء الشباك للقبض على الفريسة ، ثم يربط العنكبوت فريسته بخيطه فقط في حالة. أيضًا ، يمكن للعنكبوت أن يقفز أو ينزل دون خوف بمساعدة خيطه ، والركض على طول أنسجة العنكبوت ، كما هو الحال على طول المسارات. حسنًا ، وليس من غير المهم ، أن العناكب تنسج شرانق لبيضها من نفس خيط الحرير لحماية ذرية المستقبل من المواقف غير المتوقعة التي تهدد بموتهم.

في غابات مدغشقر ، يعيش عنكبوت ينسج شبكة يمكن أن تمتد من جانب من نهر أو بحيرة إلى جانب آخر ، ويتكون الخيط الذي تستخدمه من أقوى مادة بيولوجية في العالم. إن "عنكبوت داروين" الذي اكتشفه إنجي أغنارسون من جامعة بورتوريكو ، والذي واجه مثل هذه الشبكات لأول مرة في عام 2001 في متنزه راناموفان الوطني في مدغشقر ، ليس كبيرًا بشكل خاص ، حيث يبلغ طوله 1.5 بوصة فقط (مع تمديد أطرافه) ، ولكنه شبكة ينسجها. - تسربت. يمكن أن يصل طول الخيط الرئيسي إلى 80 قدمًا ، ويبلغ محيط الويب 9 أقدام مربعة. إن مرونة الخيط هي ضعف تلك الموجودة في أي خيط عنكبوت آخر ، وبالنظر إلى حقيقة أن قوته الشد أعلى من تلك الموجودة في الفولاذ ، فإن خيط هذا العنكبوت هو أقوى مادة طبيعية معروفة للعلم.

تتميز العناكب عن جميع الحشرات بالقدرة على نسج أنماط نسيج العنكبوت المذهلة.
كيف يمكن للعنكبوت أن يدور على شبكة الإنترنت أمر لا يمكن تصوره. مخلوق صغير يخلق شبكات كبيرة وقوية. تم تشكيل قدرة مذهلة منذ 130 مليون سنة.

ليس من قبيل المصادفة أن تظهر جميع الاحتمالات عند الحيوانات وتثبت أثناء الانتقاء الطبيعي. كل عمل له غرض محدد بدقة.

يقوم العنكبوت بتدوير الويب لتحقيق أهداف حيوية:

• اصطياد الفريسة
• تربية؛
• تقوية المنك.
• تأمين السقوط
• خداع الحيوانات المفترسة.
• تسهيل الحركة على الأسطح.

يتكون ترتيب العناكب من 42 ألف نوع ، لكل منها تفضيلاته الخاصة في استخدام الهيكل العنكبوتي. لعقد الضحية ، يتم استخدام الشبكة من قبل جميع الممثلين. الذكور - aranemorphs على الشبكة تترك إفرازات من السائل المنوي. ثم يمشي العنكبوت على الويب ، ويجمع الإفرازات على أعضاء الجماع.

بعد الإخصاب ، يتم تكوين الأطفال في شرنقة شبكية واقية. تترك بعض الإناث الفيرومونات على الشبكة - وهي مواد تجذب الشركاء. يقوم الغزالون بلف الخيوط حول الأوراق والأغصان. والنتيجة هي دمى لإلهاء الحيوانات المفترسة. الأسماك الفضية التي تعيش في الماء تجعل المنازل بها تجاويف هوائية.

يعتمد حجم الويب على نوع العنكبوت. تصنع بعض العناكب الاستوائية "روائع" بقطر 2 متر ، قادرة على حمل حتى طائر. شبكات العنكبوت العادية أصغر حجمًا.
من المثير للاهتمام معرفة مقدار العنكبوت الذي ينسج الويب. تمكن علماء الحيوان من معرفة أن القطعة المتقاطعة تتواءم مع العمل في غضون ساعات قليلة. يستغرق ممثلو البلدان الساخنة عدة أيام لإنشاء أنماط من منطقة كبيرة. دور أساسيفي هذه العملية من قبل هيئات خاصة.

هيكل الغدد العنكبوتية

توجد على بطن الحشرة نواتج - ثآليل عنكبوتية بها ثقوب على شكل أنابيب.
من خلال هذه القنوات ، يتدفق سائل لزج من الغدة العنكبوتية. عند تعرضه للهواء ، يتحول الجل إلى ألياف رقيقة.

التركيب الكيميائي للويب

تفسر المكونات الهيكلية القدرة الفريدة للحل الذي تم إصداره على التصلب.

تحتوي تركيبة السائل على تركيز عالٍ من البروتين يحتوي على الأحماض الأمينية التالية:

• جليكاين.
• ألانين.
• سيرين

التركيب الرباعي للبروتين ، عند دفعه خارج القناة ، يتغير بطريقة تتشكل فيها الشعيرات نتيجة لذلك. من التكوينات الخيطية ، بعد ذلك ، يتم الحصول على الألياف ، والتي تكون قوتها
4 إلى 10 أضعاف قوة شعرة الإنسان.،
1.5 - 6 مرات أقوى من سبائك الصلب.

أصبح من الواضح الآن كيف ينسج العنكبوت شبكة بين الأشجار. لا تنكسر الألياف القوية الرفيعة ، فهي سهلة الضغط ، وتمتد ، وتدور دون التواء ، وتربط الفروع في شبكة واحدة.

الغرض من حياة العنكبوت هو استخراج غذاء بروتيني. الجواب على السؤال "لماذا تنسج العناكب الشبكات" واضح. بادئ ذي بدء ، لصيد الحشرات. إنهم يصنعون شبكة محاصرة ذات تصميم معقد. مظهرالهياكل المنقوشة مختلفة.

• غالبًا ما نرى شبكات متعددة الأضلاع. في بعض الأحيان تكون مستديرة تقريبًا. يتطلب النسيج من العناكب مهارة وصبرًا لا يصدقان. يجلسون على الفرع العلوي ، ويشكلون خيطًا معلقًا في الهواء. إذا كنت محظوظًا ، فسوف يلتقط الخيط بسرعة الفرع الموجود فيه مكان مناسبوالعنكبوت إلى نقطة جديدة ل مزيد من العمل. إذا لم يمسك الخيط بأي شكل من الأشكال ، يسحبه العنكبوت تجاه نفسه ، ويأكله حتى لا يختفي المنتج ، ويبدأ العملية مرة أخرى. بالتدريج ، تقوم الحشرة بتشكيل إطار ، وتبدأ في إنشاء أسس نصف قطرية. عندما يكونون جاهزين ، فإن الشيء الوحيد المتبقي هو عمل خيوط ربط بين نصف القطر ؛
• ممثلو القمع لديهم نهج مختلف. يصنعون قمعًا ويختبئون في الأسفل. عندما تقترب الضحية ، يقفز العنكبوت ويسحبها إلى القمع ؛
• يشكل بعض الأفراد شبكة من الخيوط المتعرجة. إن احتمال عدم خروج الضحية من هذا النمط أكبر بكثير ؛
• العنكبوت الذي يحمل الاسم "بولا" لا يزعج نفسه ، يدور خيطًا واحدًا فقط ، يوجد عليه قطرة من الغراء في النهاية. يطلق الصياد الخيط على الضحية ويلصقه بإحكام ؛
• العناكب - الغيلان كانوا أكثر دهاء. يصنعون شبكة صغيرة بين الكفوف ، ثم يلقيون على الكائن المطلوب.

تعتمد التصميمات على الظروف المعيشية للحشرات وأنواعها.

استنتاج

بعد أن اكتشفت كيف ينسج العنكبوت شبكة ، وما هي سماته ، يبقى الإعجاب بهذا الخلق للطبيعة ومحاولة إنشاء شيء مشابه. في الأنماط الدقيقة للشالات المحبوكة ، تنسخ الحرفيات الأنماط. تصنع الهوائيات وشبكات صيد الأسماك والحيوانات وفقًا لمخططات مماثلة. حتى الآن ، لم يتمكن الشخص من محاكاة العملية بشكل كامل.

فيديو: العنكبوت ينسج شبكة

يمكن لأي شخص تنظيف خيوط العنكبوت المعلقة بين أغصان الشجرة أو تحت السقف في الزاوية البعيدة من الغرفة بسهولة. لكن قلة من الناس يعرفون أنه إذا كان قطر الويب 1 مم ، فيمكنه أن يتحمل حمولة تبلغ حوالي 200 كجم. يمكن أن يتحمل السلك الفولاذي من نفس القطر أقل بكثير: 30-100 كجم ، اعتمادًا على نوع الفولاذ. لماذا تمتلك الويب مثل هذه الخصائص الاستثنائية؟

تقوم بعض العناكب بتدوير ما يصل إلى سبعة أنواع من الخيوط ، ولكل منها غرضه الخاص. يمكن استخدام الخيوط ليس فقط للقبض على الفريسة ، ولكن أيضًا لبناء الشرانق والقفز بالمظلات (تحلق في مهب الريح ، ويمكن للعناكب الهروب من تهديد مفاجئ ، وتستقر العناكب الصغيرة في مناطق جديدة بهذه الطريقة). يتم إنتاج كل نوع من أنواع الويب بواسطة غدد خاصة.

تتكون الشبكة المستخدمة في اصطياد الفريسة من عدة أنواع من الخيوط (الشكل 1): إطار وشعاعي ومحاصرة ومساعدة. الأكثر أهميةيُطلق على العلماء اسم خيط الذبيحة: فهو يتمتع بقوة عالية ومرونة عالية - وهذا المزيج من الخصائص فريد من نوعه. الإجهاد المطلق عند كسر خيط الهيكل العظمي للعنكبوت Araneus diadematusهو 1.1–2.7. للمقارنة: مقاومة الشد للفولاذ هي 0.4-1.5 جيجا ، وقوة الشد لشعر الإنسان هي 0.25 جيجا باسكال. في الوقت نفسه ، فإن خيط الذبيحة قادر على التمدد بنسبة 30-35٪ ، ويمكن لمعظم المعادن أن تتحمل التشوه بنسبة لا تزيد عن 10-20٪.

تخيل حشرة طائرة تصطدم بشبكة ممتدة. في هذه الحالة ، يجب أن يتمدد خيط الويب بحيث تتحول الطاقة الحركية للحشرة الطائرة إلى حرارة. إذا كانت الشبكة تخزن الطاقة المستلمة في شكل طاقة تشوه مرنة ، فإن الحشرة سترتد عن الشبكة مثل الترامبولين. من الخصائص المهمة للويب أنه يطلق كمية كبيرة جدًا من الحرارة أثناء التمدد السريع والانكماش اللاحق: الطاقة المنبعثة لكل وحدة حجم أكثر من 150 ميجا جول / م 3 (إصدارات الصلب - 6 ميجا جول / م 3). يسمح هذا للويب بتبديد طاقة التأثير بشكل فعال وعدم التمدد كثيرًا عند إصابة الضحية. يمكن أن تكون شبكات العنكبوت أو البوليمرات ذات الخصائص المماثلة مواد مثالية للدروع الواقية من الرصاص خفيفة الوزن.

في الطب الشعبيهناك وصفة من هذا القبيل: على الجرح أو التآكل ، من أجل وقف الدم ، يمكنك إرفاق شبكة ، وتنظيفها بعناية من الحشرات والأغصان الصغيرة الملتصقة بها. اتضح أن الويب له تأثير مرقئ ويسرع التئام الجلد التالف. يمكن للجراحين وأخصائيي زراعة الأعضاء استخدامه كمواد للخياطة وتقوية الغرسات وحتى كتحضيرات للأعضاء الاصطناعية. بمساعدة الويب ، من الممكن تحسين الخصائص الميكانيكية للعديد من المواد المستخدمة حاليًا في الطب بشكل كبير.

لذا ، فإن الويب مادة غير عادية وواعدة جدًا. ما هي الآليات الجزيئية المسؤولة عن خصائصه الاستثنائية؟

لقد اعتدنا على حقيقة أن الجزيئات هي أشياء صغيرة للغاية. ومع ذلك ، ليس هذا هو الحال دائمًا: تنتشر البوليمرات حولنا ، والتي تحتوي على جزيئات طويلة تتكون من نفس أو صديق مشابهعلى الروابط الأخرى. يعلم الجميع أن المعلومات الجينية للكائن الحي مسجلة في جزيئات طويلة من الحمض النووي. كان الجميع يحمل أكياسًا بلاستيكية مصنوعة من جزيئات البولي إيثيلين المتشابكة. يمكن أن تصل جزيئات البوليمر إلى أحجام ضخمة.

على سبيل المثال ، تبلغ كتلة جزيء واحد من الحمض النووي البشري حوالي 1.9 × 10 12 ص. (ومع ذلك ، فإن هذا يزيد بنحو مائة مليار مرة عن كتلة جزيء الماء) ، ويبلغ طول كل جزيء عدة سنتيمترات ، ويصل الطول الإجمالي لجميع جزيئات الحمض النووي البشرية إلى 10 11 كم.

أهم فئة من البوليمرات الطبيعية هي البروتينات ، فهي تتكون من وحدات تسمى الأحماض الأمينية. تؤدي البروتينات المختلفة وظائف مختلفة للغاية في الكائنات الحية: فهي تتحكم في التفاعلات الكيميائية ، وتستخدم كمواد بناء ، للحماية ، إلخ.

يتكون الخيط الهيكلي للويب من نوعين من البروتينات تسمى spidroins 1 و 2 (من اللغة الإنجليزية العنكبوت- العنكبوت). Spidroins هي جزيئات طويلة بكتل تتراوح من 120.000 إلى 720.000 amu. في العناكب المختلفة ، قد تختلف تسلسلات الأحماض الأمينية للسبيدروينات عن بعضها البعض ، ولكن جميع أنواع spidroins لها السمات المشتركة. إذا قمت عقليًا بتمديد جزيء سبيدروين طويل إلى خط مستقيم والنظر إلى تسلسل الأحماض الأمينية ، فقد اتضح أنه يتكون من أقسام متكررة متشابهة مع بعضها البعض (الشكل 2). يتناوب نوعان من المواقع في الجزيء: محبة للماء نسبيًا (تلك التي تكون مفيدة بقوة عند ملامستها لجزيئات الماء) وكارهة للماء نسبيًا (تلك التي تتجنب ملامسة الماء). في نهايات كل جزيء ، توجد منطقتان غير متكررتين محبة للماء ، بينما تتكون المناطق الكارهة للماء من العديد من عمليات تكرار حمض أميني يسمى ألانين.

يمكن تمثيل جزيء طويل (على سبيل المثال بروتين ، DNA ، بوليمر صناعي) كحبل متشابك مجعد. ليس من الصعب شدها ، لأن الحلقات الموجودة داخل الجزيء يمكن تقويمها بجهد قليل نسبيًا. يمكن لبعض البوليمرات (مثل المطاط) أن تمتد حتى 500٪ من طولها الأولي. لذا فإن قدرة الشبكة (مادة تتكون من جزيئات طويلة) على تشويه أكثر من المعادن ليست مفاجئة.

من أين تأتي قوة الويب؟

لفهم هذا ، من المهم متابعة عملية تشكيل الخيط. داخل غدة العنكبوت ، تتراكم spidroins كمحلول مركز. عندما يتم تشكيل الفتيل ، يخرج هذا المحلول من الغدة عبر قناة ضيقة ، مما يساعد على شد الجزيئات وتوجيهها على طول اتجاه التمدد ، وتتسبب التغييرات الكيميائية المقابلة في التصاق الجزيئات ببعضها البعض. شظايا من الجزيئات ، تتكون من الألانين ، تتحد معًا وتشكل بنية مرتبة مماثلة للبلورة (الشكل 3). داخل مثل هذا الهيكل ، يتم تكديس الأجزاء بالتوازي مع بعضها البعض وربطها ببعضها البعض بواسطة روابط هيدروجينية. هذه الأقسام ، المرتبطة ببعضها البعض ، هي التي توفر قوة الألياف. الحجم النموذجي لمثل هذه المناطق شديدة الكثافة من الجزيئات هو عدة نانومترات. تبين أن المناطق المحبة للماء الموجودة حولها مطوية عشوائيًا ، على غرار الحبال المتكدسة ، يمكن أن تستقيم وبالتالي توفر تمددًا للشبكة.

يتم بناء العديد من المواد المركبة ، مثل البلاستيك المقوى ، على نفس مبدأ خيط الهيكل: في مصفوفة ناعمة ومتحركة نسبيًا ، مما يسمح بالتشوه ، توجد مناطق صلبة صغيرة تجعل المادة قوية. على الرغم من أن علماء المواد كانوا يعملون مع مثل هذه الأنظمة لفترة طويلة ، إلا أن المركبات التي صنعها الإنسان بدأت للتو في الاقتراب من الويب في خصائصها.

من الغريب أنه عندما تصبح الويب مبللة ، فإنها تتقلص كثيرًا (تسمى هذه الظاهرة بالتعامل الفائق). وذلك لأن جزيئات الماء تخترق الألياف وتجعل المناطق المحبة للماء المضطربة أكثر حركة. إذا تمدد الويب وتراجع من الحشرات ، فإنه يتقلص في يوم مبلل أو ممطر وفي نفس الوقت يستعيد شكله.

نلاحظ أيضا ميزة مثيرة للاهتمامتشكيل الخيط. يسحب العنكبوت النسيج تحت وزنه ، لكن النسيج الناتج (قطر الخيط حوالي 1-10 ميكرون) يمكن أن يدعم عادةً كتلة تساوي ستة أضعاف كتلة العنكبوت نفسه. ومع ذلك ، إذا زاد وزن العنكبوت عن طريق تدويره في جهاز طرد مركزي ، فإنه يبدأ في إفراز شبكة أكثر سمكًا وأكثر متانة ، ولكنها أقل صلابة.

عندما يتعلق الأمر باستخدام الويب ، فإن السؤال الذي يطرح نفسه هو كيفية الحصول عليه بكميات صناعية. يوجد في العالم منشآت لعناكب "الحلب" التي تسحب الخيوط وتلفها على بكرات خاصة. ومع ذلك ، فإن هذه الطريقة غير فعالة: من أجل تجميع 500 غرام من الويب ، هناك حاجة إلى 27 ألف عنكبوت متوسط. هذا هو المكان الذي تأتي فيه الهندسة الحيوية للإنقاذ. تجعل التقنيات الحديثة من الممكن إدخال الجينات التي تشفر بروتينات الويب في كائنات حية مختلفة ، مثل البكتيريا أو الخميرة. تصبح هذه الكائنات المعدلة وراثيا مصادر لشبكات اصطناعية. تسمى البروتينات التي تم الحصول عليها عن طريق الهندسة الوراثية بالبروتينات المؤتلفة. لاحظ أن spidroins المؤتلف عادة ما تكون أصغر بكثير من تلك الطبيعية ، لكن بنية الجزيء (تناوب المناطق المحبة للماء والكارهة للماء) تظل دون تغيير.

هناك ثقة في أن الشبكة الاصطناعية لن تكون أدنى من الشبكة الطبيعية في خصائصها وستجد تطبيقها العملي كمواد متينة وصديقة للبيئة. في روسيا ، تشارك عدة مجموعات علمية من معاهد مختلفة في البحث عن خصائص الويب. يتم إجراء الحصول على شبكة الويب المؤتلفة في معهد الدولة لبحوث علم الوراثة واختيار الكائنات الدقيقة الصناعية ، وتتم دراسة الخصائص الفيزيائية والكيميائية للبروتينات في قسم الهندسة الحيوية ، كلية الأحياء ، جامعة موسكو الحكومية. M. V. Lomonosov ، يتم تشكيل منتجات من بروتينات الويب في معهد الكيمياء الحيوية العضوية التابع لأكاديمية العلوم الروسية ، ويتم التعامل مع تطبيقاتها الطبية في معهد زراعة الأعضاء والأعضاء الاصطناعية.

في القرن الثامن عشر ، قام بون معين من مونبلييه بحياكة زوج من الجوارب والقفازات من خيوط العنكبوت. تبين أن هذه التجربة في استخدام شبكة العنكبوت لأغراض النسيج هي التجربة الوحيدة. حاليًا ، يتم استخدام الويب فقط كمؤشرات متقاطعة للأجهزة البصرية الدقيقة.

يتم تصنيع الويب من الأحماض الأمينية في دم العنكبوت. يحدث هذا في الخلايا الموجودة في جدران الغدد العنكبوتية. يتم إنتاج الويب في شكل قطرات ؛ يندمجون في الجزء المركزي المجوف من الغدة. هذا السائل اللزج هو في الواقع محلول مركّز من أنسجة العنكبوت. يتراكم المحلول في الغدد حتى يحتاج العنكبوت إلى الشبكة ويتم سحبه من قنوات الثآليل العنكبوتية. يمتد الويب بسرعة إلى خيط رفيع وينتقل على الفور من الحالة اللزجة إلى الحالة الصلبة.

المواد التي يمكن سحبها إلى خيوط عادة ما تكون بوليمرات عالية الوزن الجزيئي. وهي تتكون من جزيئات طويلة ورفيعة. تكون الجزيئات ملتوية عندما تكون في المحلول. ومع ذلك ، إذا تم سحبها من ثقب رفيع ، فإنها تتكشف وتقع على طول الألياف بالكامل. تقام الجزيئات في هذا الموضع عن طريق الروابط المتقاطعة التي تتشكل بين السلاسل المتجاورة.

يتحرك العنكبوت ، عادة ما ينسج خيطًا مزدوجًا - ما يسمى بالخيط المعلق. إنه يمنعه من السقوط ويتم إرفاقه بأقراص ملحقة كلما احتاج العنكبوت إلى النزول.

يتم تقوية الخيط المعلق أحيانًا بخيطين أرق. كما أنها تستخدم لتصنيع الإطار الخارجي والخيوط الشعاعية لشبكة الملائمة. جزء رئيسي آخر من شبكة الاصطياد هو خيط حلزوني ؛ إنها في الواقع تلتقط الذباب الساقط عليها.

الشبكة بأكملها لزجة للغاية ومرنة للغاية. إنه لزج بسبب القطرات العديدة لمادة شديدة اللزوجة التي تغلف خيوط العنكبوت وتثبتها معًا. عند أدنى اتصال بخيط لزج ، تلتصق الذبابة. يمكن أن يتمدد الخيط دون أن ينكسر ، مهما كانت قوة الضحية. ينتج عن هذا عادةً أن تتشابك الذبابة في الخيوط اللزجة المجاورة أيضًا. يمسك العنكبوت بالذبابة ، ويديرها بفكيها وأظافرها وأرجلها الأمامية ، بينما تسحب أرجلها الخلفية النسيج من ثآليل العنكبوت. وهكذا تجد الذبابة نفسها في "ضمادة" من نسيج العنكبوت ، وغالبًا ما يأخذ العنكبوت الضحية إلى ملجأها ، حيث يتم تناولها على الفور أو تعليقها "في المحمية".

هناك شبكة أخرى. يتم استخدامه لصنع شرنقة. يلف هذا الخيط العنكبوت حول البيض الذي يوضع في الخريف. تحمي الشرنقة البيض من سوء الأحوال الجوية وتعديات الحيوانات المفترسة المختلفة.

يتكون الويب من البروتينات. من المعروف أن البروتينات تلعب دورًا أساسيًا في بنية ووظيفة جميع الكائنات الحية. وهي تتكون من الميوسين في العضلات ، والكولاجين في الأنسجة الضامة ، والهيموجلوبين في الدم ، وكذلك الإنزيمات التي تتحكم في جميع التفاعلات الكيميائية في الكائن الحي.

البروتينات عبارة عن جزيئات كبيرة مبنية من عشرين نوعًا من الأحماض الأمينية المختلفة. قد يتكون جزيء بروتين الويب من سلسلة واحدة أو أكثر مرتبطة في موقع واحد أو أكثر. يتم تكوين روابط متقاطعة قوية بواسطة الحمض الأميني السيستين ، والذي يمكن أن "يتشبث" بسلسلتين مختلفتين. يمكن أن يشكل السيستين أيضًا رابطًا بين أجزاء مختلفة من نفس السلسلة ، مكونًا حلقات.

يمكن لعشرين من الأحماض الأمينية أن تشكل عددًا كبيرًا من البروتينات المختلفة. يتمثل أحد الأهداف الرئيسية التي يتابعها كيميائيو البروتين في تحديد عدد الأحماض الأمينية في البروتين ومواقعها النسبية.

لتحديد تركيبة الأحماض الأمينية ، يتم تحللها إلى الأحماض الأمينية المكونة لها عن طريق الغليان في حمض الهيدروكلوريك. ثم يتم عزل جميع المكونات من خليط الأحماض الأمينية. قبل خمسة وعشرين عامًا ، كان هذا إجراءً معقدًا نوعًا ما ، يتطلب الكثير من المواد والوقت ، بالإضافة إلى أنه لم يقدم دائمًا نتائج دقيقة. حاليًا ، يمكن إجراء تحليل كامل للأحماض الأمينية على بضعة مليغرامات من المواد في يوم واحد. ابتكر العلماء جهازًا يتحلل فيه خليط من الأحماض الأمينية أولاً إلى مكونات ، ثم يتم تسجيل عددها وتسجيلها تلقائيًا في شكل رسوم بيانية.

تم تطبيق هذه الأساليب التحليلية في تحليل عدد من خيوط العنكبوت. هناك فرق كبير في تكوينات خيط شرنقة وخيط معلق. الأحماض الأمينية الرئيسية للأول هي ألانين وسيرين ، والثانية هي الجلايسين والألانين. يتكون أكثر من نصف البروتين في كل حالة من اثنين فقط من الأحماض الأمينية ، على الرغم من وجود العديد من الأحماض الأمينية الأخرى فيهما. الأهم من ذلك كله هو شبكة الأحماض الأمينية ذات السلاسل الجانبية القصيرة جدًا.

إن معرفة كيفية ترتيب الأحماض الأمينية في البروتين أمر مهم للغاية. لكن هذا لا يزال لا يجعل من الممكن شرح جميع خصائص الألياف. تعتمد هذه الخصائص إلى حد كبير على كيفية ترتيب السلاسل بالنسبة لبعضها البعض.

في عام 1913 ، أظهر الأب والابن براغي أن بلورة أي مادة تدور في الأشعة السينية تعكسها في زوايا معينة ، لأنها تتكون من ذرات مرتبة تشكل مستويات انعكاس. في نفس العام ، وجد اثنان من اليابانيين - نيكشاوا وأونو - أن العديد من الألياف التي كان من المفترض ألا تحتوي على بنية بلورية تعطي أيضًا انعكاسات معينة.

تبدو الأشعة السينية الموجودة للخيوط العنكبوتية غير واضحة عند مقارنتها بالأشعة السينية للبلورات الحقيقية ، ولكنها يمكن أن توفر معلومات مهمة حول بنية الويب. حقيقة أن مثل هذا النمط من الأشعة السينية يحتوي على بقع تشير إلى وجود مناطق بلورية في ألياف الشبكة ، والتي لها ترتيب مرتب للذرات. يعود الفضل في تحديد بنية هذه المناطق البلورية في المقام الأول إلى البروفيسور لينوس بولينج من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا والبروفيسور وارويكر.

بفضل هذه الدراسات ، نعلم أن جميع أنواع الشبكات تقريبًا لها هيكل مماثل. يمكن الحصول على فكرة تقريبية عنها عن طريق رسم عدة خطوط متوازية متساوية البعد على قطعة من الورق ، ثم تجميع هذه الورقة في طيات بزوايا قائمة على الخطوط. تمثل الخطوط سلاسل طويلة من الببتيد ، وتشير الأماكن التي تتقاطع فيها مع الطيات إلى مواضع ذرات الكربون التي تمتد منها السلاسل الجانبية. يذهبون بزاوية قائمة على مستوى الورقة.

الآن ضع في اعتبارك عددًا من الأوراق المتشابهة معًا ؛ كثافة "التعبئة" الخاصة بهم سوف تعتمد على حجم مجموعات I. تحتوي جميع الشبكات تقريبًا على سلاسل مرتبة بطريقة مماثلة داخل الأوراق ، وتختلف فقط في المسافة بين الأوراق: فهي تتراوح من 3.3 إلى 15.6 أنجستروم.

خيط الويب الموجود تحته عبارة عن أسطوانات طويلة ومنتظمة ذات مقطع عرضي دائري منتظم تقريبًا. تتمثل إحدى طرق مقارنة درجة نعومة الألياف في الإشارة إلى وزن طول معين من الألياف. بالنسبة إلى الويب ، يتم التعبير عنه عادةً في المنكر - الوزن بالجرام البالغ 9 كيلومترات من الخيط. في نظام القياس هذا ، يزن خيط دودة القز منكرًا واحدًا ، بينما تزن شعرة الإنسان 40-50 منكرًا. وزن خيط شرنقة العنكبوت 0.7 منكر ، والخيط المعلق أقل من 0.07 منكر. يزن الخيط المعلق المتشابك حول الكرة الأرضية عند خط الاستواء حوالي 340 جرامًا فقط.

تعتبر خصائص القوة والشد للخيوط مهمة لصناعة النسيج. لمقارنة الخيوط ذات السماكات المختلفة ، عادة ما يتم التعبير عن قوتها من حيث قوة الشد ، أي من حيث كسر الحمل مقسومًا على المنكر. وبالتالي يتم التعبير عن قوة الشد بالجرام لكل منكر. يبلغ متوسط ​​قوة كسر خيوط الشرنقة 2.2 جم / منكر ، وتبلغ قوة الخيط المعلق 7.8 جم / منكر. الاستطالة في وقت التمزق تصل إلى 46٪ و 31٪ على التوالي.

على عكس الخيط المعلق ، فإن خيط الشرنقة هش نسبيًا ، ويرجع ذلك إلى الغرض منه. ليس عليها أن تتحمل ضغوط كبيرة ، مهمتها هي الإبداع الدرع الواقيلبيض الشرنقة. للقيام بذلك ، ينسج العنكبوت خيوطًا من ست طبقات من خيط مجعد. يتكون كل خيط من خيوط الشرنقة من ستة أنسجة عنكبوت. تذكرنا قشرة الويب هذه بالخيوط الضخمة التي تم تطويرها في السنوات الاخيرةلصناعة التريكو المرن من الألياف الاصطناعية.

الخيط اللولبي لشبكة الاصطياد ، والذي يشكل مصيدة ويب لزجة ، مرن للغاية. إن تمدده وانكماشه قابلان للعكس تمامًا ، وفي هذا الصدد يشبه المطاط.

يتمثل أحد أهداف صناعة المواد الاصطناعية في تزويد العملاء بمواد ذات خصائص محددة. يحتاج نسيج الملابس الداخلية ، على سبيل المثال ، إلى الاحتفاظ بالحرارة وامتصاص الرطوبة ، بينما يحتاج سلك الإطار إلى نسيج قوي جدًا.

لا يزال تطوير ألياف البروتين الاصطناعية في مراحله الأولى ، لأننا لم نتمكن بعد من إنشاء سلاسل طويلة ذات بنية معقدة من الأحماض الأمينية. ومع ذلك ، يمكنك أخذ حمض أميني واحد وبلمرة في سلاسل طويلة ، مثل polyalanine أو polyalanine و methyl glutamag ، لإخراج الأنسجة الجيدة منها. من الممكن أيضًا الحصول على بوليمرات عالية الوزن الجزيئي مع تسلسل ثنائي الببتيد متكرر ، على سبيل المثال ، ...

مزيد من الدراسة لأنواع مختلفة من الشبكات هي الطريقة التي ستساعدنا بالتأكيد في تكوين ألياف بروتينية صناعية.

P. S. ما الذي يتحدث عنه العلماء البريطانيون أيضًا: أنه في المستقبل ، بناءً على دراسة جزيئية أكثر تفصيلاً لكل من خيط العنكبوت والمواد الطبيعية الأخرى ، سيتمكن العلماء من الحصول على العديد من الأشياء المفيدة للغاية لحياتنا اليومية ، على سبيل المثال ، واجب ثقيل
منتجات الخرسانة المسلحة المصنوعة من بوليمرات خاصة أو شيء من هذا القبيل.

سؤال غبي للوهلة الأولى: بالطبع ، فولاذ! ينكسر عند أدنى لمسة لليد ، ويمكن للجسر الفولاذي أن يتحمل وزن مئات السيارات والشاحنات التي تمر فوقه. لكن شبكة العنكبوت تتكون من خيوط رفيعة بشكل لا يصدق. إذا كان السلك الفولاذي من نفس السماكة الضئيلة ، فلن تتمكن شبكة الاصطياد منه حتى من تحمل وزن العنكبوت. والجسر المبني من شبكات العنكبوت لم يكن لينهار بسبب حركة المرور المزدحمة - وفي الوقت نفسه كان من الممكن أن يكون أخف بكثير من الفولاذ. شبكة العنكبوت هي مادة فريدة تجمع بين القوة المذهلة والمرونة. حتى الآن ، لم تنجح البشرية في استنساخها.

تنسج العناكب التي تنسج الجرم السماوي شبكاتها المحاصرة وفقًا لخطة محددة بدقة. بادئ ذي بدء ، يبنون إطارًا على شكل الحرف اللاتيني "Y" (1) ، ثم يقوّونه بخيوط إضافية ، وأخيراً ينسجون لولبًا لزجًا لاصطياد الحشرات.

تتشكل شبكة العنكبوت نتيجة تصلب سائل لزج يتم إطلاقه من الثقوب الموجودة في الجزء العلوي من شبكات العنكبوت.

لماذا لا يتشابك العنكبوت في شبكته؟

شبكات العنكبوت هي هياكل مذهلة. يستغرق العنكبوت المدبب عدة ساعات لنسج شبكة لولبية كبيرة ، ويتم إصلاح هذا المبنى وتحديثه كل يوم تقريبًا. عالقًا في شبكة عنكبوتية ، لا توجد فرصة تقريبًا للخروج منه. وتقوم العناكب من جنس Nephila (Nephila) ، والمعروفة أيضًا باسم عناكب الموز أو عناكب الأشجار العملاقة ، بنسج شبكات ضخمة يمكن أن تتشابك فيها حتى الطيور الصغيرة. لا تنكسر هذه الشبكة المنسوجة من خيوط حريرية مرنة شديدة التحمل ، ولكنها تمتد فقط تحت وطأة الضحية. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تغطية خيوط الويب بطبقة رقيقة من السائل اللزج الذي يمسك الحشرة بإحكام في الويب. كلما ناضل الضحية بشكل يائس من أجل حريته ، كلما أصبح متورطًا في الويب. يمسك العنكبوت ، الذي يجلس في وسط الويب ، اهتزازات الويب بقدميه ، ويزحف إلى الفريسة ويقتلها بدغة chelicera. صاحبها لا يخشى أن يتورط في شبكته الخاصة: عند إنشاء شبكة ، وضع "مسارات" فيها من خيوط غير لاصقة. يتم استخدام هذه المسارات فقط بواسطة العنكبوت ، والتي تعمل على طول شبكة الملائمة الخاصة به.