电影《蜘蛛侠2（Spider-Man 2）》剧照

Возможно, вы восхищались паучьим шелком Питера Паркера в фильмах о Человеке-пауке, который может тянуть убегающие поезда, плести защитную паутину прочнее стали и даже позволять супергероям свободно раскачиваться между городскими горизонтами.

В природе пауки определенно являются сдержанным «мастером материалов». Они плетут паутину из нежного паучьего шелка, невидимого невооруженным глазом и более прочного, чем бронежилеты, на первый взгляд хрупкой нити, скрывающей тайны, которые веками очаровывали ученых.

Недавно команда из Северо-Западного университета в Соединенных Штатах наконец-то разгадала этот «код паучьего шелка», на самом деле, паук осторожно дергал задними лапами при прядении шелка, что на самом деле является прецизионной ковкой на молекулярном уровне.

Паук: природный мастер дизайна волокна

Паучий шелк — это белок шелка и вспомогательный белок, выделяемый прядильным органом на конце брюшка паука, который затвердевает на воздухе и полимеризуется в нить, которая используется для плетения паутины или формирования других структур.

Паучий шелк может быть использован в качестве липкой ловушки для ловли добычи, для запутывания и связывания добычи перед охотой паука, для передачи тактильных сообщений или в качестве гнезда или кокона для защиты потомства.

Пауки могут использовать шелк, чтобы висеть на высоте, парить в воздухе или планировать, чтобы избежать хищников. Большинство пауков меняют толщину и липкость шелка в зависимости от его использования.

Ученые уже давно обеспокоены исследованиями паучьего шелка из-за его превосходных свойств: прочность превосходит прочность стали того же диаметра, ударная вязкость лучше, чем у кевларового волокна, а эластичность сравнима с эластичностью резины, что делает его «шестиугольным воином» материального мира. Паучий шелк является самым прочным органическим волокном, а его биоразлагаемые свойства делают его идеальным материалом для медицинского использования.

Например, их можно использовать в качестве хирургических швов или клеев для закрытия ран, которые затем могут безвредно и естественно разлагаться в организме. Тем не менее, выращивание пауков для получения натурального паучьего шелка является дорогостоящим, энергоемким и сложным в эксплуатации. Поэтому искусственный синтез материалов паучьего шелка в лабораторных условиях стал предметом исследований.

На протяжении многих лет исследователи успешно конструировали микроорганизмы для производства белков паучьего шелка, а путем ручного растяжения инженерного паучьего шелка были получены искусственные волокна, сравнимые с паучьим шелком. Хотя у нас есть «рецепт» паучьего шелка, как процесс прядения меняет структуру и прочность волокон, остается загадкой.

Механизм укрепления паучьего шелка: молекулярное упорядочивание, вызванное растяжением

Моделирование диаграммы растянутых шелковых волокон

Исследовательская группа из Северо-Западного университета использовала моделирование молекулярной динамики, чтобы изучить, как растяжение изменяет порядок белков, связи между белками и движение молекул внутри волокон. В ходе исследования было установлено, что растяжение задних конечностей паука в процессе вращения по существу «выстраивало» белки, что увеличивало общую прочность волокон.

Они также обнаружили, что растяжение может увеличить количество водородных связей, которые действуют как мост между белковыми цепями, составляющими волокна, помогая улучшить общую прочность, ударную вязкость и эластичность волокон. Шелк, растянутый в шесть раз по сравнению с первоначальной длиной, будет намного прочнее только что изготовленного шелка.

Это исследование не только разгадывает механический код паучьего шелка, но и демонстрирует сильную жизнеспособность междисциплинарных исследований. От редактирования генов в молекулярной биологии до спиннинга в механике жидкостей и оптимизации производительности в материаловедении — конвергенция знаний из разных областей привела к революционным технологическим прорывам.

В будущем паучий шелк коснется каждого аспекта нашей жизни, от бесшовной прострочки операционной до легких строительных материалов марсианской базы, эта шелковая нить от паучьего прядения ткет более жесткое и устойчивое будущее.

Кадр из фильма "Космонавт".

Когда мы восхищаемся эффективностью паучьего шелка, мы также должны глубоко задуматься о природной мудрости, стоящей за ним. Пауки — это не объекты, которые ждут, чтобы им подражали, а наставники, которые охватывают сотни миллионов лет времени и пространства. Дело не только в шелковых нитях, но и в стратегии выживания, которая была смягчена естественным отбором – получить максимальную отдачу от наименьших ресурсов, удовлетворить функциональные потребности и жить в гармонии с экосистемой, что является конечной целью человеческой инженерии.

　　人类或许无需幻想外星科技或反重力引擎，地球生命用38亿年写就的代码库中，藏着无数待解的技术密码。正如蛛丝研究揭示的真理，最伟大的创新，往往始于对自然谦卑的观察。

Ресурсы:

[1]https://scitechdaily.com/stronger-than-steel-tougher-than-kevlar-spider-silks-secret-finally-revealed/

[250307144702]https://www.sciencedaily.com/releases/0/0/0.htm

[3833]https://www.science.org/doi/0.0/sciadv.adr0

[4]https://en.wikipedia.org/wiki/Spider_silk

Составитель: Ян Юйсинь

Планировщик: Лю Ин, Чжан Чао, Ли Пэйюань, Ян Лю

Рецензия: Ван Чуаньци, директор по популяризации науки в Национальном музее зоологии

Источник: Посох головастика