Perché il web è così forte? Cos'è più forte: la ragnatela o l'acciaio? Chi ha la rete più forte?

Sicuramente ognuno di voi ha prestato attenzione ai "fazzoletti" sofisticati, delicati e setosi che i ragni appendono sugli alberi e sull'erba estate soleggiata. Quando le gocce di rugiada argentate brillano sul filo di ragno traforato, lo spettacolo, vedi, è incredibilmente bello e ammaliante. Ma sorgono diverse domande: “dove si forma la tela e come viene utilizzata dal ragno”, “da dove viene e in cosa consiste”. Oggi cercheremo di capire perché questo animale decora tutto con i suoi “ricami”.

Mi sono fermato per un'ora

Molti scienziati hanno dedicato non solo interi trattati e ore, ma anche anni della loro vita ai ragni e alle loro tele. Come ha detto Andre Tilkin, un famoso filosofo francese, tessere una rete è uno spettacolo straordinario che puoi guardare per ore e ore. Ha scritto più di cinquecento pagine di trattato sul web.

Lo scienziato tedesco G. Peters ha sostenuto che, osservando i ragni per ore, non ti accorgi nemmeno di come vola il tempo. Anche prima di Tilkin, aveva raccontato al mondo chi fossero queste persone creature straordinarie, come un ragno tesse la sua tela, per la quale ne ha bisogno.

Sicuramente, più di una volta, quando hai visto un ragnetto su una foglia fare il suo minuzioso lavoro, ti sei fermato a guardare. Ma non abbiamo sempre abbastanza tempo per le piccole cose belle, siamo sempre di fretta, quindi non possiamo fermarci, indugiare ancora un po’. Se questo fosse il momento, ognuno di noi probabilmente potrebbe rispondere alla domanda: "Come appare una tela, perché il ragno non si attacca alla sua tela?"

Fermiamoci un attimo e scopriamolo. Dopotutto, la domanda è davvero interessante e il processo è affascinante.

Da dove proviene?

I ragni sono le creature più antiche, vivono sulla terra da più di duecento milioni di anni. Senza la loro rete, forse, non sarebbero così interessanti per l'umanità. Allora da dove vengono le tele dei ragni e che aspetto hanno?

La rete è il contenuto di ghiandole speciali che hanno molti artropodi (falsi scorpioni, ragni, acari, ecc.). Il contenuto liquido può essere allungato senza strapparsi. I fili sottili risultanti si induriscono molto rapidamente all'aria.

Ogni ragno ha diverse ghiandole specifiche sul corpo che sono responsabili della produzione delle ragnatele. Si formano ghiandole diverse vari tipi e densità della rete. Si trovano sull'addome sotto forma di condotti molto sottili e sono chiamati “verruche del ragno”. È da questi fori che viene rilasciata la secrezione liquida, che presto si trasforma in una bellissima rete.

Con l'aiuto delle zampe, il ragno distribuisce e “appende” la rete dove ne ha bisogno. Le zampe anteriori del ragno sono le più lunghe; ruolo di primo piano. E con l'aiuto delle zampe posteriori afferra gocce di liquido e le allunga alla lunghezza richiesta.

Vento in soccorso

La brezza contribuisce anche alla corretta distribuzione della rete. Se il ragno sceglie il posto giusto dove posizionarsi, ad esempio tra gli alberi o tra le foglie, allora il vento aiuta a portare i fili dove devono essere. Se vuoi rispondere tu stesso alla domanda su come un ragno tesse una rete tra gli alberi, ecco la risposta. Il vento lo aiuta.

Quando un filo si impiglia nel ramo desiderato, il ragno striscia, controlla la forza della base e rilascia quello successivo. Il secondo è attaccato al centro del primo e così via.

Fasi di costruzione

La base della rete è molto simile a un fiocco di neve o a un punto, dal centro del quale si irradiano diversi raggi. Questi raggi-fili centrali sono i più densi e spessi nella loro struttura. A volte il ragno crea un ordito da più fili contemporaneamente, come se rafforzasse in anticipo i suoi percorsi.

Quando la base è pronta, l'animale procede alla costruzione delle “spirali catturanti”. Sono realizzati con un tipo di rete completamente diverso. Questo liquido è appiccicoso e si attacca bene. È dalla rete appiccicosa che vengono costruiti i cerchi sulla base.

Il ragno inizia la sua costruzione dal cerchio esterno, spostandosi gradualmente verso il centro. Percepisce sorprendentemente la distanza tra i cerchi. Assolutamente senza avere bussole o bussole speciali a portata di mano strumenti di misura, il ragno distribuisce accuratamente la rete in modo che la distanza tra i cerchi sia esclusivamente uguale.

Perchè non si attacca da solo?

Sicuramente sapete tutti come cacciano i ragni. Come la loro preda rimane intrappolata in una rete appiccicosa e muore. E, forse, tutti almeno una volta si sono chiesti: "Perché il ragno non si attacca alla sua tela?"

La risposta sta nelle tattiche specifiche di costruzione di una rete, che abbiamo descritto poco sopra. Il web è composto da diversi tipi di fili. La base su cui si muove il ragno è realizzata in filo ordinario, molto resistente e completamente sicuro. Ma i cerchi “catturatori” sono fatti, al contrario, da un filo appiccicoso e letale per molti insetti.

Funzioni della rete

Quindi, abbiamo capito come appare la rete e dove si forma. E ora possiamo anche rispondere come viene utilizzata la tela del ragno. Il compito principale della rete è, ovviamente, procurarsi il cibo. Quando il "cibo" entra nella rete, il ragno avverte immediatamente la vibrazione. Si avvicina alla preda, la avvolge velocemente in una robusta “coperta”, apre il bordo e porta il cibo in un luogo dove nessuno lo disturberà per godersi il pasto.

Ma oltre a procurarsi il cibo, la rete serve al ragno per altri scopi. Viene utilizzato per creare un bozzolo per le uova e una casa in cui vivere. La rete funziona come una sorta di amaca su cui si svolgono gli eventi. giochi di accoppiamento e accoppiamento. Funziona come un paracadute, che ti consente di fuggire rapidamente da nemici pericolosi. Con il suo aiuto, i ragni possono muoversi tra gli alberi se necessario.

Più forte dell'acciaio

Quindi, sappiamo già come un ragno tesse una rete e quali sono le sue caratteristiche, come si forma e come vengono costruite le reti appiccicose per procurarsi il cibo. Ma resta la domanda sul perché il web sia così forte.

Nonostante il fatto che tutti i modelli di ragno siano vari, hanno la stessa proprietà: maggiore resistenza. Ciò è garantito dal fatto che la rete contiene una proteina: la cheratina. A proposito, si trova anche negli artigli degli animali, nella lana e nelle piume degli uccelli. Le fibre della tela si allungano perfettamente per poi ritornare alla forma originaria, senza strapparsi.

Gli scienziati dicono che la ragnatela è molto più forte della seta naturale. Quest'ultimo ha un carico di rottura di 30-42 g/mm 2, ma il velo ha un carico di rottura di circa 170 g/mm 2. Puoi sentire la differenza.

Il modo in cui un ragno tesse una rete è comprensibile. Che sia durevole è anche una questione che è stata risolta. Ma sapevate che, nonostante tale forza, la rete è migliaia di volte più sottile dei capelli umani? Se confrontiamo la capacità di rottura delle ragnatele e di altri fili, supera non solo la seta, ma anche la viscosa, il nylon e l'orlon. Anche l'acciaio più resistente non può essere paragonato ad esso in termini di resistenza.

Sapevi che il modo in cui un ragno tesse la sua tela determinerà il numero di vittime che vi finiranno?

Quando la preda finisce nella rete, non solo si attacca alla rete “catturante”, ma viene anche colpita carica elettrica. È formato dagli insetti stessi, che accumulano una carica durante il volo e quando entrano nella rete la cedono ai fili e si infettano.

Sapendo come un ragno tesse una rete e quali qualità "forti" ha, perché le persone non realizzano ancora vestiti con tali fili? Si scopre che al tempo di Luigi XIV, uno degli artigiani cercò di cucire guanti e calzini per il re con fili di ragno. Tuttavia, questo lavoro si è rivelato molto difficile, scrupoloso e lungo.

IN Sud America le ragnatele aiutano non solo i produttori stessi, ma anche le scimmie locali. Grazie alla forza delle reti, gli animali si muovono al loro interno con agilità e senza paura.

I rappresentanti dell'ordine degli aracnidi possono essere trovati ovunque. Questi sono predatori che cacciano gli insetti. Catturano la preda utilizzando una rete. Si tratta di una fibra flessibile e resistente alla quale si attaccano mosche, api e zanzare. Come un ragno tesse una tela è una domanda che spesso viene posta quando si guarda una straordinaria rete da cattura.

Cos'è una rete?

I ragni sono uno degli abitanti più antichi del pianeta, a causa delle loro dimensioni piccole e specifiche aspetto sono erroneamente considerati insetti. In realtà, questi sono rappresentanti dell'ordine degli artropodi. Il corpo del ragno ha otto zampe e due sezioni:

cefalotorace;
addome.

A differenza degli insetti, non hanno antenne e un collo che separa la testa dal petto. L'addome di un aracnide è una specie di fabbrica per la produzione di ragnatele. Contiene ghiandole che producono una secrezione costituita da proteine arricchite con alanina, che dona forza, e glicina, responsabile dell'elasticità. Di formula chimica la tela è vicina alla seta degli insetti. All'interno delle ghiandole la secrezione è liquida, ma se esposta all'aria si indurisce.

Informazione. Seta di bruco baco da seta e le ragnatele hanno una composizione simile: il 50% è costituito da proteine fibroina. Gli scienziati hanno scoperto che il filo del ragno è molto più forte della secrezione del bruco. Ciò è dovuto alla peculiarità della formazione delle fibre

Da dove viene la tela di un ragno?

Sull'addome dell'artropode ci sono escrescenze: verruche aracnoidi. Nella loro parte superiore si aprono i canali delle ghiandole aracnoidi formando fili. Esistono 6 tipi di ghiandole che producono la seta per scopi diversi (spostamento, abbassamento, impigliamento della preda, conservazione delle uova). In una specie, tutti questi organi non sono presenti contemporaneamente; di solito un individuo ha da 1 a 4 paia di ghiandole.

Sulla superficie delle verruche si trovano fino a 500 tubi rotanti che forniscono la secrezione proteica. Il ragno tesse la sua tela come segue:

le verruche del ragno vengono premute contro la base (albero, erba, muro, ecc.);
Non un gran numero di lo scoiattolo si attacca al luogo selezionato;
il ragno si allontana tirando il filo con le zampe posteriori;
per il lavoro principale vengono utilizzate zampe anteriori lunghe e flessibili, con il loro aiuto viene creata una cornice da fili secchi;
La fase finale della creazione della rete è la formazione di spirali appiccicose.

Grazie alle osservazioni degli scienziati, si è saputo da dove proviene la tela del ragno. È prodotto da verruche mobili accoppiate sull'addome.

Fatto interessante. La tela è molto leggera; il peso di un filo avvolto attorno alla Terra lungo l'equatore sarebbe di soli 450 g.

Il ragno tira il filo dall'addome

Come costruire una rete da pesca

Vento - miglior aiutante ragno in costruzione. Dopo aver estratto un filo sottile dalle verruche, l'aracnide lo espone a un flusso d'aria, che trasporta la seta congelata per una distanza considerevole. Questo modo segreto come un ragno che tesse una tela tra gli alberi. La rete si aggrappa facilmente ai rami degli alberi, usandola come una corda, l'aracnide si sposta da un posto all'altro.

Un certo modello può essere rintracciato nella struttura del web. La sua base è una cornice di fili forti e spessi disposti sotto forma di raggi divergenti da un punto. Partendo dalla parte esterna, il ragno crea dei cerchi, spostandosi gradualmente verso il centro. È sorprendente che senza alcuna attrezzatura mantenga la stessa distanza tra ogni cerchio. Questa parte delle fibre è appiccicosa ed è dove gli insetti rimarranno intrappolati.

Fatto interessante. Il ragno mangia la propria tela. Gli scienziati offrono due spiegazioni per questo fatto: in questo modo viene reintegrata la perdita di proteine durante la riparazione della rete da pesca, oppure il ragno beve semplicemente acqua appesa ai fili di seta.

La complessità del modello web dipende dal tipo di aracnide. Gli artropodi inferiori costruiscono reti semplici, mentre quelli superiori costruiscono motivi geometrici complessi. Si stima che costruisca una trappola di 39 raggi e 39 spirali. Oltre alle filettature radiali lisce, alle spirali ausiliarie e di raccolta, sono disponibili filettature di segnale. Questi elementi catturano e trasmettono al predatore le vibrazioni della preda catturata. Se si imbatte in un oggetto estraneo (un ramo, una foglia), il piccolo proprietario lo separa e lo butta via, poi ripristina la rete.

I grandi aracnidi arboricoli tirano trappole con un diametro fino a 1 m. Non solo gli insetti, ma anche piccoli uccelli vi cadono.

Quanto tempo impiega un ragno per tessere una tela?

Un predatore impiega da mezz'ora a 2-3 ore per creare una trappola traforata per gli insetti. Il suo tempo di funzionamento dipende da condizioni meteo e le dimensioni della rete pianificate. Alcune specie tessono fili di seta ogni giorno, al mattino o alla sera, a seconda del loro stile di vita. Uno dei fattori che determinano il tempo impiegato da un ragno per tessere una tela è il suo tipo: piatto o voluminoso. Quella piatta è la versione familiare dei fili e delle spirali radiali, mentre quella volumetrica è una trappola costituita da un grumo di fibre.

Scopo della rete

Le reti sottili non sono solo trappole per insetti. Il ruolo della rete nella vita degli aracnidi è molto più ampio.

Catturare la preda

Tutti i ragni sono predatori e uccidono le loro prede con il veleno. Inoltre, alcuni individui hanno una costituzione fragile e possono diventare essi stessi vittime di insetti, ad esempio le vespe. Per cacciare hanno bisogno di un riparo e di una trappola. Le fibre appiccicose svolgono questa funzione. Impigliano la preda catturata nella rete in un bozzolo di fili e la lasciano finché l'enzima iniettato non la porta allo stato liquido.

Le fibre di seta degli aracnidi sono più sottili dei capelli umani, ma la loro resistenza alla trazione specifica è paragonabile al filo d'acciaio.

Riproduzione

Durante il periodo dell'accoppiamento, i maschi attaccano i propri fili alla rete della femmina. Colpendo ritmicamente le fibre di seta, comunicano le loro intenzioni a un potenziale partner. La femmina che riceve il corteggiamento scende nel territorio del maschio per accoppiarsi. In alcune specie è la femmina ad avviare la ricerca del partner. Secerne un filo con feromoni, grazie al quale il ragno la trova.

Casa per i posteri

I bozzoli per le uova sono tessuti dalla secrezione della rete setosa. Il loro numero, a seconda del tipo di artropodo, è di 2-1000 pezzi. Le femmine appendono le sacche con le uova in un luogo sicuro. Il guscio del bozzolo è piuttosto resistente; è costituito da diversi strati ed è impregnato di secrezione liquida.

Nella loro tana, gli aracnidi tessono ragnatele attorno alle pareti. Questo aiuta a creare un microclima favorevole e funge da protezione dalle intemperie e dai nemici naturali.

In movimento

Una delle risposte al motivo per cui un ragno tesse una tela è che usa i fili come veicolo. Per muoversi tra alberi e cespugli, capire rapidamente e cadere, ha bisogno di fibre forti. Per volare su lunghe distanze, i ragni si arrampicano ad altezze elevate, rilasciano una rete che si indurisce rapidamente e poi con una folata di vento volano via per diversi chilometri. Molto spesso, i viaggi vengono effettuati quando fa caldo giornate limpide Estate indiana.

Perché il ragno non si attacca alla sua tela?

Per evitare di cadere nella sua stessa trappola, il ragno crea diversi fili asciutti per il movimento. Conosco perfettamente la complessità delle reti e lui si avvicina in modo sicuro alla preda bloccata. Di solito, al centro della rete da pesca rimane un'area sicura, dove il predatore attende la preda.

L'interesse degli scienziati per l'interazione degli aracnidi con le loro trappole da caccia è iniziato più di 100 anni fa. Inizialmente, è stato suggerito che sulle loro zampe ci fosse un lubrificante speciale che impedisse l'attaccamento. Non è mai stata trovata alcuna conferma della teoria. Filmare con una telecamera speciale il movimento delle zampe del ragno lungo le fibre della secrezione congelata ha fornito una spiegazione al meccanismo di contatto.

Un ragno non si attacca alla sua tela per tre motivi:

molti peli elastici sulle zampe riducono l'area di contatto con la spirale appiccicosa;
le punte delle zampe del ragno sono ricoperte da un liquido oleoso;
il movimento avviene in un modo speciale.

Qual è il segreto della struttura delle zampe che aiuta gli aracnidi a evitare di attaccarsi? Su ciascuna gamba del ragno ci sono due artigli di supporto con cui si aggrappa alla superficie e un artiglio flessibile. Mentre si muove, preme i fili contro i peli flessibili del piede. Quando il ragno alza la zampa, l'artiglio si raddrizza e i peli spingono via la rete.

Un'altra spiegazione è la mancanza di contatto diretto tra la zampa dell'aracnide e le goccioline appiccicose. Cadono sui peli del piede e poi rifluiscono facilmente sul filo. Qualunque siano le teorie prese in considerazione dagli zoologi, resta invariato il fatto che i ragni non diventano prigionieri delle loro stesse trappole appiccicose.

Anche altri aracnidi, come gli acari e gli pseudoscorpioni, possono tessere tele. Ma le loro reti non possono essere paragonate in forza e abile tessitura con le opere di veri maestri: i ragni. Scienza moderna non è ancora in grado di riprodurre il web utilizzando un metodo sintetico. La tecnologia per produrre la seta di ragno rimane uno dei misteri della natura.

Candidato di scienze fisiche e matematiche E. Lozovskaya

Scienza e vita // Illustrazioni

La sostanza adesiva che ricopre il filo della spirale di cattura è distribuita uniformemente su tutto il nastro sotto forma di goccioline di perline. L'immagine mostra il punto in cui due frammenti della spirale del ricevitore sono attaccati al raggio.

Scienza e vita // Illustrazioni

Le fasi iniziali della costruzione di una rete di cattura da parte di un ragno incrociato.

La spirale logaritmica descrive approssimativamente la forma del filo della spirale ausiliaria che il ragno tende quando costruisce una rete da cattura a forma di ruota.

La spirale di Archimede descrive la forma del filo adesivo che intrappola.

I fili a zigzag sono una delle caratteristiche delle tele dei ragni del genere Argiope.

Le regioni cristalline della fibra di seta presentano una struttura ripiegata simile a quella mostrata in figura. Circuiti individuali collegati legami di idrogeno.

Giovani ragni incrociati appena emersi dal loro bozzolo di tela.

I ragni della famiglia Dinopidae spinosa tessono una rete tra le gambe e poi la gettano sulla preda.

Il ragno crociato (Araneus diadematus) è noto per la sua capacità di tessere grandi tele intrappolate a forma di ruota.

Alcuni tipi di ragni attaccano anche una lunga "scala" alla trappola rotonda, che aumenta significativamente l'efficienza della caccia.

Scienza e vita // Illustrazioni

Ecco come appaiono al microscopio i tubi del ragno da cui emergono i fili di seta del ragno.

I ragni potrebbero non essere le creature più attraenti, ma la loro creazione, la rete, è a dir poco impressionante. Ricorda come la regolarità geometrica dei fili più fini che brillano al sole, tesi tra i rami di un cespuglio o tra l'erba alta, affascina lo sguardo.

I ragni sono uno degli abitanti più antichi del nostro pianeta, essendosi stabiliti sulla terra più di 200 milioni di anni fa. In natura esistono circa 35mila specie di ragni. Queste creature a otto zampe, che vivono ovunque, sono riconoscibili sempre e dovunque, nonostante le differenze di colore e dimensione. Ma la cosa più importante è caratteristica distintiva- è la capacità di produrre seta di ragno, una fibra naturale insuperabile in termini di resistenza.

I ragni usano le ragnatele per vari scopi. Ne ricavano bozzoli per le uova, costruiscono rifugi per lo svernamento, lo usano come "corda di sicurezza" quando saltano, tessono intricate reti da cattura e avvolgono le prede catturate. Una femmina pronta per l'accoppiamento produce un filo di tela contrassegnato da feromoni, grazie al quale il maschio, muovendosi lungo il filo, trova facilmente un partner. I giovani ragni di alcune specie volano via dal nido dei genitori su lunghi fili trasportati dal vento.

I ragni si nutrono principalmente di insetti. Gli strumenti di caccia che utilizzano per procurarsi il cibo sono tra i più utilizzati forme diverse e tipi. Alcuni ragni stendono semplicemente diversi fili di segnalazione vicino al loro rifugio e, non appena un insetto tocca il filo, si precipitano verso di esso dall'imboscata. Altri lanciano in avanti un filo con una goccia appiccicosa all'estremità, come una specie di lazo. Ma l'apice dell'attività di progettazione dei ragni sono ancora le reti rotonde a forma di ruota, posizionate orizzontalmente o verticalmente.

Per costruire una rete da cattura a forma di ruota, il ragno crociato, un abitante comune dei nostri boschi e giardini, produce un filo abbastanza lungo e resistente. Una brezza o un flusso d'aria crescente sollevano il filo verso l'alto e, se il luogo in cui costruire la rete è scelto bene, si aggrappa al ramo o altro supporto più vicino. Il ragno striscia lungo di esso per fissarne l'estremità, a volte stendendo un altro filo per forza. Quindi rilascia un filo che pende liberamente e ne attacca un terzo al centro, in modo da ottenere una struttura a forma di Y: i primi tre raggi su più di cinquanta. Quando i fili radiali e il telaio sono pronti, il ragno ritorna al centro e inizia a stendere una spirale ausiliaria temporanea, qualcosa come un "impalcatura". La spirale ausiliaria tiene insieme la struttura e funge da percorso per il ragno quando costruisce una spirale di cattura. L'intero telaio principale della rete, compresi i raggi, è realizzato in filo non adesivo, ma per la spirale di cattura viene utilizzato un doppio filo rivestito con una sostanza adesiva.

Ciò che sorprende è che queste due spirali hanno forme geometriche diverse. La spirale temporanea ha relativamente pochi giri e la distanza tra loro aumenta ad ogni giro. Ciò accade perché, durante la posa, il ragno si muove con lo stesso angolo rispetto ai raggi. La forma della linea spezzata risultante è vicina alla cosiddetta spirale logaritmica.

La spirale di intrappolamento appiccicosa è costruita secondo un principio diverso. Il ragno parte dal bordo e si muove verso il centro, mantenendo la stessa distanza tra le spire, creando una spirale di Archimede. Allo stesso tempo, morde i fili della spirale ausiliaria.

La seta del ragno è prodotta da ghiandole speciali situate nella parte posteriore dell'addome del ragno. Si conoscono almeno sette tipi di ghiandole aracnoidi, che producono filamenti diversi, ma nessuno di essi specie conosciute Tutti e sette i tipi di ragni non vengono trovati contemporaneamente. Di solito un ragno ha da una a quattro paia di queste ghiandole. Tessere una rete non è un compito veloce e ci vuole circa mezz'ora per costruire una rete da trappola di medie dimensioni. Per passare alla produzione di un diverso tipo di tela (per la spirale di cattura), il ragno ha bisogno di un minuto di tregua. I ragni spesso riutilizzano le tele mangiando quelle rimanenti che sono state danneggiate dalla pioggia, dal vento o dagli insetti. La rete viene digerita nel loro corpo con l'aiuto di enzimi speciali.

La struttura della seta del ragno è stata perfettamente sviluppata nel corso di centinaia di milioni di anni di evoluzione. Questo materiale naturale combina due meravigliose proprietà: resistenza ed elasticità. Una rete fatta di ragnatele può impedire a un insetto di volare a tutta velocità. Il filo con cui i ragni tessono la base della loro rete da caccia è più sottile di un capello umano e la sua resistenza alla trazione specifica (cioè calcolata per unità di massa) è superiore a quella dell'acciaio. Se si confronta il filo del ragno con il filo di acciaio dello stesso diametro, sosterranno all'incirca lo stesso peso. Ma la seta del ragno è sei volte più leggera, il che significa che è sei volte più forte.

Come i capelli umani, la lana di pecora e la seta dei bozzoli dei bachi da seta, le ragnatele sono composte principalmente da proteine. In termini di composizione di aminoacidi, le proteine della ragnatela - spidroine - sono relativamente vicine alle fibroine, le proteine che compongono la seta prodotta dai bruchi del baco da seta. Entrambi contengono quantità insolitamente elevate di aminoacidi alanina (25%) e glicina (circa 40%). Aree di molecole proteiche ricche di alanina formano regioni cristalline densamente imballate in pieghe, fornendo elevata resistenza, e quelle aree in cui è presente più glicina rappresentano un materiale più amorfo che può allungarsi bene e quindi conferire elasticità al filo.

Come si forma un filo del genere? Non esiste ancora una risposta completa e chiara a questa domanda. Il processo di filatura della tela è stato studiato in modo più dettagliato utilizzando l'esempio della ghiandola ampolla del ragno tessitore di sfere Nephila clavipes. La ghiandola ampollaide, che produce la seta più resistente, è costituita da tre sezioni principali: un sacco centrale, un canale curvo molto lungo e un tubo con uno sbocco. Dalle cellule sulla superficie interna del sacco emergono piccole goccioline sferiche contenenti due tipi di molecole proteiche della spidroina. Questa soluzione viscosa scorre nella coda del sacco, dove altre cellule secernono un diverso tipo di proteina: le glicoproteine. Grazie alle glicoproteine, la fibra risultante acquisisce una struttura cristallina liquida. I cristalli liquidi sono notevoli in quanto, da un lato, hanno un alto grado di ordine e, dall'altro, mantengono la fluidità. Man mano che la massa spessa si sposta verso l'uscita, le lunghe molecole proteiche si orientano e si allineano parallelamente tra loro nella direzione dell'asse della fibra in formazione. In questo caso, tra loro si formano legami idrogeno intermolecolari.

L'umanità ha copiato molte delle scoperte progettuali della natura, ma un processo così complesso come tessere una rete non è stato ancora riprodotto. Gli scienziati stanno ora cercando di risolvere questo difficile problema utilizzando tecniche biotecnologiche. Il primo passo è stato isolare i geni responsabili della produzione delle proteine che compongono la rete. Questi geni sono stati introdotti nelle cellule di batteri e lieviti (vedi "Science and Life" n. 2, 2001). I genetisti canadesi sono andati ancora oltre: hanno allevato capre geneticamente modificate il cui latte contiene proteine disciolte della ragnatela. Ma il problema non è solo ottenere le proteine della seta di ragno, è necessario simulare il processo di filatura naturale. Ma gli scienziati devono ancora imparare questa lezione dalla natura.

Chiunque può facilmente spazzare via le ragnatele appese tra i rami di un albero o sotto il soffitto nell'angolo più lontano della stanza. Ma poche persone sanno che se il nastro avesse un diametro di 1 mm, potrebbe sopportare un carico del peso di circa 200 kg. Il filo di acciaio dello stesso diametro può resistere molto meno: 30–100 kg, a seconda del tipo di acciaio. Perché il web ha proprietà così eccezionali?

Alcuni ragni intrecciano fino a sette tipi di fili, ognuno dei quali ha il proprio scopo. I fili possono essere utilizzati non solo per catturare le prede, ma anche per costruire bozzoli e lanciarsi con il paracadute (decollando nel vento, i ragni possono sfuggire a una minaccia improvvisa e in questo modo i giovani ragni si diffondono in nuovi territori). Ogni tipo di rete è prodotta da ghiandole speciali.

La rete utilizzata per catturare la preda è costituita da diversi tipi di fili (Fig. 1): telaio, radiale, ricevitore e ausiliario. Il più grande interesse degli scienziati è il filo del telaio: ha sia un'elevata resistenza che un'elevata elasticità: è questa combinazione di proprietà che è unica. Massima resistenza alla trazione del filo del telaio del ragno Araneus diadematoè 1,1–2,7. Per fare un confronto: la resistenza alla trazione dell'acciaio è 0,4–1,5 GPa e quella dei capelli umani è 0,25 GPa. Allo stesso tempo, il filo del telaio può allungarsi del 30–35% e la maggior parte dei metalli può sopportare una deformazione non superiore al 10–20%.

Immaginiamo un insetto volante che colpisce una rete tesa. In questo caso, il filo della tela deve allungarsi in modo che l'energia cinetica dell'insetto volante venga convertita in calore. Se la rete immagazzinasse l'energia ricevuta sotto forma di energia di deformazione elastica, l'insetto rimbalzerebbe sulla rete come su un trampolino. Una proprietà importante del tessuto è che rilascia una grandissima quantità di calore durante il rapido allungamento e la successiva contrazione: l'energia rilasciata per unità di volume è superiore a 150 MJ/m 3 (l'acciaio rilascia 6 MJ/m 3). Ciò consente alla rete di dissipare efficacemente l'energia dell'impatto e di non allungarsi troppo quando una vittima la colpisce. La ragnatela o i polimeri con proprietà simili potrebbero essere materiali ideali per armature leggere.

IN medicina popolare Esiste una ricetta del genere: per fermare l'emorragia, puoi applicare una ragnatela su una ferita o un'abrasione, liberandola accuratamente dagli insetti e dai piccoli ramoscelli incastrati al suo interno. Si scopre che le ragnatele hanno un effetto emostatico e accelerano la guarigione della pelle danneggiata. Chirurghi e trapianti potrebbero usarlo come materiale per suturare, rinforzare gli impianti e persino come materiale grezzo per organi artificiali. Con l'aiuto del web puoi migliorare notevolmente proprietà meccaniche molti materiali attualmente utilizzati in medicina.

Quindi, la ragnatela è un materiale insolito e molto promettente. Che cosa meccanismi molecolari sono responsabili delle sue proprietà eccezionali?

Siamo abituati al fatto che le molecole sono oggetti estremamente piccoli. Ma non è sempre così: intorno a noi sono molto diffusi i polimeri, che hanno molecole lunghe costituite da unità identiche o simili. Tutti lo sanno informazioni genetiche organismo vivente è scritto in lunghe molecole di DNA. Tutto era nelle loro mani buste di plastica, costituito da lunghe molecole di polietilene intrecciate. Le molecole dei polimeri possono raggiungere dimensioni enormi.

Ad esempio, la massa di una molecola di DNA umano è di circa 1,9·10 12 amu. (tuttavia, questo è circa cento miliardi di volte superiore alla massa di una molecola d'acqua), la lunghezza di ciascuna molecola è di diversi centimetri e la lunghezza totale di tutte le molecole di DNA umano raggiunge i 10 11 km.

La classe più importante di polimeri naturali sono le proteine; sono costituite da unità chiamate aminoacidi. Diverse proteine svolgono funzioni estremamente diverse negli organismi viventi: controllano reazioni chimiche, sono usati come materiale da costruzione, per protezione, ecc.

Il filo dell'impalcatura della rete è costituito da due proteine, chiamate spidroine 1 e 2 (dall'inglese ragno- ragno). Gli spidroini sono molecole lunghe con masse che vanno da 120.000 a 720.000 amu. Le sequenze aminoacidiche degli spidroini possono differire da ragno a ragno, ma tutti gli spidroini lo hanno caratteristiche comuni. Se allunghi mentalmente una lunga molecola di spidroina in linea retta e osservi la sequenza di aminoacidi, si scopre che consiste in sezioni ripetute simili tra loro (Fig. 2). Nella molecola si alternano due tipi di regioni: relativamente idrofile (quelle per le quali è energeticamente favorevole entrare in contatto con le molecole d'acqua) e relativamente idrofobe (quelle che evitano il contatto con l'acqua). Alle estremità di ciascuna molecola ci sono due regioni idrofile non ripetitive e le regioni idrofobiche sono costituite da molte ripetizioni di un amminoacido chiamato alanina.

Una lunga molecola (ad esempio, una proteina, un DNA, un polimero sintetico) può essere pensata come una corda accartocciata e aggrovigliata. Allungarlo non è difficile, perché gli anelli all'interno della molecola possono raddrizzarsi, richiedendo uno sforzo relativamente minimo. Alcuni polimeri (come la gomma) possono allungarsi fino al 500% della loro lunghezza originale. Quindi la capacità delle ragnatele (un materiale costituito da lunghe molecole) di deformarsi più dei metalli non è sorprendente.

Da dove viene la forza del web?

Per capirlo, è importante seguire il processo di formazione del filo. All'interno della ghiandola del ragno, gli spidroini si accumulano sotto forma soluzione concentrata. Quando si forma il filamento, questa soluzione esce dalla ghiandola attraverso uno stretto canale, questo aiuta ad allungare le molecole e ad orientarle lungo la direzione dello stiramento, e i corrispondenti cambiamenti chimici fanno sì che le molecole aderiscano tra loro. Frammenti di molecole costituiti da alanine si uniscono e formano una struttura ordinata, simile ad un cristallo (Fig. 3). All'interno di tale struttura, i frammenti sono disposti parallelamente tra loro e collegati tra loro da legami idrogeno. Sono queste aree, interconnesse tra loro, che forniscono la resistenza della fibra. La dimensione tipica di regioni così densamente popolate di molecole è di diversi nanometri. Le aree idrofile situate attorno a loro risultano arrotolate in modo casuale, simili a corde accartocciate, possono raddrizzarsi e quindi garantire l'allungamento della rete;

Molti materiali compositi, come la plastica rinforzata, sono costruiti secondo lo stesso principio del filo dell'impalcatura: in una matrice relativamente morbida e flessibile, che consente la deformazione, ci sono piccole aree dure che rendono il materiale resistente. Sebbene gli scienziati dei materiali lavorino con sistemi simili da molto tempo, i compositi artificiali stanno appena iniziando ad avvicinarsi alle ragnatele nelle loro proprietà.

È interessante notare che quando il web si bagna si contrae notevolmente (questo fenomeno è chiamato supercontrazione). Ciò avviene perché le molecole d’acqua penetrano nella fibra e rendono più mobili le regioni idrofile disordinate. Se la rete si è allungata e si è abbassata a causa degli insetti, in una giornata umida o piovosa si contrae e allo stesso tempo ripristina la sua forma.

Nota anche caratteristica interessante formazione del filo. Il ragno tira fuori la sua tela sotto l'influenza proprio peso, ma la rete risultante (diametro del filo di circa 1–10 μm) può solitamente supportare una massa sei volte la massa del ragno stesso. Se aumenti il peso del ragno facendolo ruotare in una centrifuga, inizierà a secernere una tela più spessa e resistente, ma meno rigida.

Quando si tratta di utilizzare le ragnatele, sorge la domanda su come ottenerle in quantità industriali. Nel mondo esistono installazioni per i ragni “mungitori”, che estraggono i fili e li avvolgono su apposite bobine. Questo metodo però è inefficace: per accumulare 500 g di tela sono necessari 27mila ragni di media taglia. E qui la bioingegneria viene in aiuto dei ricercatori. Tecnologie moderne rendere possibile l'introduzione di geni che codificano per le proteine della ragnatela in vari organismi viventi, come batteri o lieviti. Questi organismi geneticamente modificati diventano fonti di reti artificiali. Proteine ottenute mediante metodi Ingegneria genetica, sono detti ricombinanti. Si noti che solitamente gli spidroini ricombinanti sono molto più piccoli di quelli naturali, ma la struttura della molecola (regioni idrofile e idrofobiche alternate) rimane invariata.

C'è fiducia che la rete artificiale non sarà inferiore nelle sue proprietà a quella naturale e la troverà uso pratico sia durevole che rispettoso dell'ambiente materiale puro. In Russia diversi gruppi scientifici di vari istituti stanno studiando congiuntamente le proprietà della rete. La produzione della ragnatela ricombinante viene effettuata presso l'Istituto statale di ricerca genetica e selezione di microrganismi industriali, fisici e Proprietà chimiche le proteine sono studiate presso il Dipartimento di Bioingegneria, Facoltà di Biologia, Università Statale di Mosca. M.V. Lomonosov, i prodotti delle proteine della ragnatela vengono formati presso l'Istituto di Chimica Bioorganica dell'Accademia Russa delle Scienze, il loro applicazioni mediche studio presso l'Istituto di Trapianto e Organi Artificiali.

La seta, che forma i fili radiali della tela, è costituita da due proteine che ne determinano la resistenza e l'elasticità. Ogni proteina contiene tre regioni con proprietà diverse. Il primo forma una matrice amorfa (non cristallina), estensibile, che conferisce elasticità alla seta. Quando un insetto rimane intrappolato in una rete, la matrice si allunga, assorbendo energia cinetica collisione con un insetto. La rigidità della seta è data da due tipi di regioni cristalline incorporate nelle regioni amorfe di ciascuna proteina. Entrambe queste regioni hanno una struttura compatta e non sono estensibili, una delle quali ha una struttura rigida. Si ritiene che le regioni cristalline meno rigide ancorano le strutture cristalline rigide alla matrice amorfa.
Lo spessore del filo del nastro è solo 0,1 diametro di un capello umano, ma molte volte più resistente del filo d'acciaio dello stesso peso. Nel film Spider-Man la forza della rete è fortemente sottovalutata.
La spiegazione viene dal biologo William K. Purves dell'Harvey Mudd College.

L'addome del ragno viene ingrandito 12 volte. Fabbrica per la produzione di tele.

Dai tubi in movimento fuoriescono le proteine che, una volta nell'aria, si induriscono formando un filo ad alta resistenza.

Nella foto a sinistra c'è il Kevlar e a destra c'è un nanotubo: un filo di carbonio. I test mostrano una resistenza più di tre volte superiore. E questo è solo l'inizio.