Vengono considerati i materiali più resistenti al mondo ragnatela. La sua elasticità e forza sono tali che se fosse possibile realizzare una ragnatela (pur mantenendo tutte le sue proprietà) spessa almeno quanto una matita, allora sarebbe possibile appendervi facilmente un moderno carro armato.

Inoltre, il processo del ragno viene sottoposto a debug secondo la categoria più alta: le moderne aziende industriali sono lontane da questo.

Inoltre, il ragno non fa “solo” una ragnatela, ma proprio quella di cui ha bisogno in questo particolare momento. Cambiare il luogo di schieramento è una cosa, prendere il cibo è un'altra, “costruire” alloggi per se stessi è la terza. Una rete da trappola è generalmente creata da diversi tipi di ragnatele, che differiscono l'una dall'altra per le loro caratteristiche. Tuttavia, per modificare il "modello", lo spider non ricostruisce e non interrompe la sua pipeline: "sa" sempre di quale thread ha bisogno.

Per realizzare la famosa ragnatela classica a forma di ruota, il ragno prima tira qualcosa come una "fondazione" - fili non molto appiccicosi e pesanti di grande diametro, quindi mette su di essi "ferri da maglia" più sottili e solo allora aggroviglia lo spazio rimanente al centro con spirali quasi invisibili, pericolosissime e appiccicose, che sono una trappola per vari insetti.

Il ragno pescatore non tesse affatto ragnatele. Fa un filo sottile, che ha una palla appiccicosa all'estremità, dopo di che fa oscillare bellicosamente quest'arma in diverse direzioni. Allo stesso tempo emana un aroma simile a quello emesso dalle falene femmine in cerca di partner. Le falene fidate affollano l'odore, ma di conseguenza ottengono una palla appiccicosa sulla fronte e diventano la cena per il ragno.

Per le sue passeggiate, il ragno crea una ragnatela morbida, spessa e soffice: chi vuole cadere nella propria trappola? E se l'artigiano decide di cambiare luogo di residenza, rilascia uno speciale paracadute a rete - raccolto dal vento, può spostare il suo proprietario a lunga distanza.

E alcune informazioni più interessanti sui ragni. Gli scienziati alcuni anni fa in Madagascar hanno scoperto una nuova specie di ragno in grado di tessere una tela lunga fino a 25 metri e di forza e spessore adeguati (finora questo è un record mondiale). Il ragno tira le sue enormi ragnatele non tra i normali cespugli, ma proprio attraverso laghi e fiumi, per catturare gli insetti che volteggiano sopra l'acqua.

E l'anno scorso, gli scienziati sono stati in grado di determinare come appare il web in una sezione. Si è scoperto che il web è un filo proteico che sembra una pila di frittelle. Il diametro di ogni "pancake" è di 3 nanometri, ed è collegato a quello vicino come risultato di legami idrogeno.

I rappresentanti dell'ordine aracnide possono essere trovati ovunque. Sono predatori che predano gli insetti. Catturano la loro preda con l'aiuto di una ragnatela. Questa è una fibra flessibile e resistente, a cui si attaccano mosche, api, zanzare. Come un ragno tesse una ragnatela, questa domanda viene spesso posta alla vista di una straordinaria ragnatela.

Che cos'è una rete?

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

• cefalotorace;
• addome.

A differenza degli insetti, non hanno antenne e un collo che separa la testa dal petto. La pancia di un aracnide è una specie di web factory. Contiene ghiandole che producono un segreto costituito da una proteina arricchita con alanina, che dona forza, e glicina, che è responsabile dell'elasticità. Secondo la formula chimica, il web è vicino alla seta degli insetti. All'interno delle ghiandole, il segreto è allo stato liquido e si indurisce nell'aria.

Informazione. La seta dei bruchi e delle ragnatele del baco da seta ha una composizione simile: il 50% è costituito da proteine ​​​​della fibroina. Gli scienziati hanno scoperto che il filo di un ragno è molto più forte del segreto dei bruchi. Ciò è dovuto alla particolarità della formazione delle fibre

Da dove viene una tela di ragno?

Sull'addome di un artropode ci sono escrescenze: verruche aracnoidee. Nella loro parte superiore si aprono i canali delle ghiandole aracnoidee che formano i fili. Esistono 6 tipi di ghiandole che producono seta per scopi diversi (spostare, abbassare, intrappolare le prede, conservare le uova). In una specie, tutti questi organi non si verificano contemporaneamente; di solito, un individuo ha 1-4 paia di ghiandole.

Sulla superficie delle verruche ci sono fino a 500 tubi rotanti che forniscono un segreto proteico. Un ragno tesse una ragnatela in questo modo:

• le verruche di ragno vengono premute contro la base (albero, erba, muro, ecc.);
• una piccola quantità di bastoncini proteici nel luogo prescelto;
• il ragno si allontana, tirando il filo con le zampe posteriori;
• per il lavoro principale vengono utilizzate gambe anteriori lunghe e flessibili, con il loro aiuto viene creata una cornice da fili asciutti;
• la fase finale nella fabbricazione della rete è la formazione di spirali appiccicose.

Grazie alle osservazioni degli scienziati, si è saputo da dove viene la ragnatela. Viene rilasciato da verruche accoppiate mobili sull'addome.

Fatto interessante. La ragnatela è molto leggera, il peso del filo che avvolge la Terra attorno all'equatore sarebbe di soli 450 g.

Il ragno tira il filo dall'addome

Come viene costruita una rete di trapping

Il vento è il miglior assistente del ragno nella costruzione. Prendendo un filo sottile dalle verruche, l'aracnide lo mette sotto la corrente d'aria, che porta la seta irrigidita a una notevole distanza. Questo è il modo segreto in cui un ragno tesse una ragnatela tra gli alberi. La ragnatela si aggrappa facilmente ai rami degli alberi, usandola come una corda, l'aracnide si sposta da un posto all'altro.

Un certo schema può essere rintracciato nella struttura del web. Si basa su un telaio di fili forti e spessi disposti sotto forma di raggi che si irradiano da un punto. Partendo dalla parte esterna, il ragno crea dei cerchi, spostandosi gradualmente verso il centro. Sorprendentemente, senza alcun adattamento, mantiene la stessa distanza tra ogni cerchio. Questa parte delle fibre è appiccicosa, è in essa che gli insetti rimarranno bloccati.

Fatto interessante. Il ragno mangia la sua stessa tela. Gli scienziati offrono due spiegazioni per questo fatto: in questo modo, la perdita di proteine ​​​​viene reintegrata durante la riparazione della rete di cattura, oppure il ragno beve semplicemente acqua appeso a fili di seta.

La complessità del web design dipende dal tipo di aracnide. Gli artropodi inferiori costruiscono reti semplici, mentre quelli superiori costruiscono schemi geometrici complessi. Stimato per costruire una trappola di 39 raggi e 39 spirali. Oltre alle filettature radiali lisce, alle spirali ausiliarie e di cattura, esistono filettature di segnalazione. Questi elementi catturano e trasmettono al predatore la vibrazione della preda catturata. Se si imbatte in un oggetto estraneo (un ramo, una foglia), il piccolo proprietario lo separa e lo butta via, quindi ripristina la rete.

I grandi aracnidi degli alberi tirano trappole fino a 1 m di diametro, non solo gli insetti, ma anche i piccoli uccelli vi entrano.

Per quanto tempo un ragno tesse una ragnatela?

Il predatore trascorre da mezz'ora a 2-3 ore per creare una trappola aperta per gli insetti. Il suo tempo di funzionamento dipende dalle condizioni meteorologiche e dalle dimensioni pianificate della rete. Alcune specie tessono fili di seta ogni giorno, al mattino o alla sera, a seconda del loro stile di vita. Uno dei fattori per quanto un ragno tesse una ragnatela è il suo aspetto: piatto o voluminoso. Uno piatto è una versione familiare di fili radiali e spirali, e uno voluminoso è una trappola fatta da un pezzo di fibre.

Lo scopo del web

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

Catturare la preda

Tutti i ragni sono predatori che uccidono le loro prede con il veleno. Allo stesso tempo, alcuni individui hanno un fisico fragile e possono diventare essi stessi vittime di insetti, ad esempio le vespe. Hanno bisogno di un riparo e di una trappola per cacciare. Le fibre appiccicose svolgono questa funzione. Una volta catturati nella rete, avvolgono la preda in un bozzolo di fili e lo lasciano finché l'enzima iniettato non lo porta allo stato liquido.

Le fibre di seta degli aracnidi sono più sottili di un capello umano, ma la loro resistenza alla trazione specifica è paragonabile a quella del filo di acciaio.

riproduzione

Durante la stagione degli amori, i maschi attaccano i propri fili alla ragnatela della femmina. Infliggendo colpi ritmici alle fibre di seta, informano il potenziale partner delle loro intenzioni. La femmina corteggiatrice scende nel territorio del maschio per accoppiarsi. In alcune specie, l'iniziatore della ricerca di un partner è la femmina. Secerne un filo di feromoni, grazie al quale il ragno la trova.

casa per i posteri

I bozzoli per le uova sono intrecciati con ragnatele di seta. Il loro numero, a seconda del tipo di artropodi, è di 2-1000 pezzi. Le sacche di ragno con uova femminili sono appese in un luogo sicuro. Il guscio del bozzolo è abbastanza forte, è costituito da più strati ed è saturo di un liquido segreto.

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

in movimento

Una delle risposte al motivo per cui un ragno tesse una ragnatela è che usa i fili come veicolo. Per muoversi tra alberi e cespugli, per capire e scendere velocemente, ha bisogno di fibre forti. Per i voli su lunghe distanze, i ragni salgono in quota, rilasciano una rete che si solidifica rapidamente e poi, con una raffica di vento, vengono portati via per diversi chilometri. Molto spesso, i viaggi vengono effettuati nei giorni caldi e limpidi dell'estate indiana.

Perché un ragno non si attacca alla sua tela?

Per non cadere nella sua stessa trappola, il ragno crea diversi fili secchi per il movimento. Conosco bene la complessità delle reti, si avvicina in sicurezza alla preda bloccata. Solitamente al centro della rete da trappola c'è 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 apparso più di 100 anni fa. Inizialmente, è stato suggerito che le loro zampe avessero un lubrificante speciale per evitare che si attaccassero. La teoria non è mai stata confermata. Le riprese con una telecamera speciale del movimento delle zampe del ragno lungo le fibre del segreto congelato hanno spiegato il meccanismo del contatto.

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

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

Quale segreto della struttura delle gambe aiuta gli aracnidi a evitare di attaccarsi? Su ciascuna zampa del ragno ci sono due artigli di supporto con cui si aggrappa alla superficie e un artiglio flessibile. Quando si muove, preme i fili sui peli flessibili sul piede. Quando il ragno alza la zampa, l'artiglio si raddrizza ei peli respingono la ragnatela.

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

Anche altri aracnidi possono tessere ragnatele: zecche e falsi scorpioni. Ma le loro tele non possono essere paragonate in forza e abile tessitura con le opere dei veri maestri: i ragni. La scienza moderna non è ancora in grado di riprodurre sinteticamente il web. La tecnologia per produrre la seta di ragno rimane uno dei misteri della natura.

La seta, che forma i fili radiali della ragnatela, è costituita da due proteine ​​che ne determinano la forza e l'elasticità. Ogni proteina contiene tre regioni con proprietà diverse. Il primo forma una matrice estensibile amorfa (non cristallina) che conferisce alla seta la sua elasticità. Quando un insetto colpisce il web, la matrice si espande per assorbire l'energia cinetica della collisione con l'insetto. La rigidità della seta è data da due tipi di regioni cristalline incorporate nelle regioni amorfe di ciascuna delle proteine. Entrambe queste aree hanno una struttura compatta e non sono suscettibili di allungamento, con una di esse che ha una struttura rigida. Si ritiene che le regioni cristalline con una struttura meno rigida tengano le strutture cristalline rigide insieme alla matrice amorfa.
Lo spessore del filo web è solo 0,1 il diametro di un capello umano, ma parecchie volte più resistente di un filo d'acciaio dello stesso peso. Nel film di Spider-Man, la forza del web è molto sottovalutata.
La spiegazione viene dal biologo William K. Purves dell'Harvey Mudd College.

L'addome del ragno è ingrandito di 12 tonnellate. Fabbrica per la produzione di ragnatele.


Dai tubi mobili fuoriesce una proteina che, una volta in aria, si indurisce formando un filo ad alta resistenza.


Nella foto a sinistra c'è il kevlar e a destra c'è un nanotubo: una fibra di carbonio. I test mostrano un miglioramento della forza più di tre volte. E questo è solo l'inizio.

I ragni appartengono agli abitanti più antichi della Terra: tracce dei primi aracnidi sono state trovate in rocce che hanno 340-450 milioni di anni. I ragni sono circa 200-300 milioni di anni più vecchi dei dinosauri e più di 400 milioni di anni più dei primi mammiferi. La natura ha avuto abbastanza tempo non solo per moltiplicare il numero di specie di ragni (di cui se ne conoscono circa 60 mila), ma anche per dotare molti di questi predatori a otto zampe di uno straordinario mezzo di caccia: le ragnatele. Lo schema del web può essere diverso non solo in specie diverse, ma anche in un ragno in presenza di determinate sostanze chimiche, come esplosivi o droghe. I ragni sarebbero stati persino lanciati nello spazio per studiare l'effetto della microgravità sul motivo della ragnatela. Tuttavia, la maggior parte di tutti i misteri erano nascosti dalla sostanza di cui è composta la rete.

Il web, come i nostri capelli, peli di animali, fili di bachi da seta, è costituito principalmente da proteine. Ma le catene polipeptidiche in ciascuna ragnatela sono intrecciate in un modo così insolito che hanno acquisito quasi una forza record. Il singolo filo prodotto dal ragno è resistente come un filo d'acciaio di uguale diametro. Una corda di ragnatela dello spessore di una matita potrebbe contenere un bulldozer, un carro armato e persino un Airbus potente come un Boeing 747. Ma la densità dell'acciaio è sei volte maggiore di quella delle ragnatele.

È noto quanto sia alta la resistenza dei fili di seta. Un classico esempio è un'osservazione fatta da un medico dell'Arizona già nel 1881. Davanti a questo medico, ebbe luogo una sparatoria in cui uno dei tiratori fu ucciso. Due proiettili hanno colpito il petto e l'hanno attraversato. Allo stesso tempo, pezzi di un fazzoletto di seta sporgevano dal retro di ogni ferita. I proiettili hanno attraversato vestiti, muscoli e ossa, ma non sono riusciti a strappare la seta che hanno incontrato.

Perché, allora, in ingegneria si usano le strutture in acciaio e non quelle più leggere ed elastiche fatte di un materiale simile alle ragnatele? Perché i paracadute in seta non vengono sostituiti con lo stesso materiale? La risposta è semplice: prova a realizzare un materiale tale che i ragni producono facilmente ogni giorno: non funzionerà!

Scienziati di tutto il mondo hanno studiato a lungo la composizione chimica della rete di tessitori a otto zampe e oggi il quadro della sua struttura è stato più o meno completamente divulgato. Il filamento web ha un nucleo interno di una proteina chiamata fibroina e che circondano questo nucleo sono strati concentrici di nanofibre di glicoproteina. La fibroina costituisce circa 2/3 della massa del nastro (e anche, tra l'altro, della fibra di seta naturale). È un liquido viscoso e sciropposo che polimerizza e solidifica in aria.

Le fibre di glicoproteina, che possono avere un diametro di pochi nanometri, possono essere parallele all'asse del filamento di fibroina o formare spirali attorno al filamento. Le glicoproteine ​​- proteine ​​complesse che contengono carboidrati e hanno un peso molecolare compreso tra 15.000 e 1.000.000 amu - sono presenti non solo nei ragni, ma anche in tutti i tessuti di animali, piante e microrganismi (alcune proteine ​​nel plasma sanguigno, nei tessuti muscolari, nelle membrane cellulari, ecc. .).

Durante la formazione del web, le fibre di glicoproteina sono interconnesse a causa di legami idrogeno, nonché legami tra i gruppi CO e NH e una percentuale significativa di legami si forma nelle ghiandole aracnoidi degli aracnidi. Le molecole di glicoproteina possono formare cristalli liquidi con frammenti a forma di bastoncino che sono impilati parallelamente tra loro, il che conferisce alla struttura la forza di un solido pur mantenendo la capacità di fluire come un liquido.

I componenti principali del web sono gli amminoacidi più semplici: glicina H 2 NCH 2 COOH e alanina CH 3 CHNH 2 COOH. Il web contiene anche sostanze inorganiche: potassio idrogeno fosfato e nitrato di potassio. Le loro funzioni si riducono a proteggere il velo da funghi e batteri e, probabilmente, a creare le condizioni per la formazione del filo stesso nelle ghiandole.

Una caratteristica distintiva del web è la compatibilità ambientale. È costituito da sostanze facilmente assorbite dall'ambiente naturale e non danneggia questo ambiente. A questo proposito, il web non ha ancora analoghi creati da mani umane.

Un ragno può distinguere fino a sette fili di diversa struttura e proprietà: alcuni per intrappolare "reti", altri per il proprio movimento, altri per segnalare, ecc. Quasi tutti questi fili potrebbero essere ampiamente utilizzati nell'industria e nella vita di tutti i giorni, se fosse in grado di stabilire la loro vasta produzione. Tuttavia, è difficile "domare" i ragni, come i bachi da seta, per organizzare peculiari allevamenti di ragni: è improbabile che le abitudini aggressive dei ragni e le caratteristiche di un singolo contadino nel loro carattere lo consentano. E per la produzione di appena 1 m di tessuto dal web, occorrono più di 400 ragni per “lavorare”.

È possibile riprodurre i processi chimici che avvengono nel corpo dei ragni e copiare materiale naturale? Scienziati e ingegneri hanno da tempo sviluppato la tecnologia del Kevlar - fibra aramidica:

ottenuto su scala industriale e avvicinandosi alle proprietà del web. Le fibre di kevlar sono cinque volte più deboli delle ragnatele, ma sono comunque così resistenti da essere utilizzate per realizzare giubbotti antiproiettile leggeri, elmetti protettivi, guanti, corde, ecc. Ma il kevlar si ottiene in soluzioni calde di acido solforico, mentre un ragno ha bisogno di una temperatura normale. I chimici non sanno ancora come affrontare tali condizioni.

Tuttavia, i biochimici si sono avvicinati alla soluzione del problema della scienza dei materiali. In primo luogo, i geni dei ragni sono stati identificati e decifrati, programmando la formazione di fili di una struttura o dell'altra. Oggi si tratta di 14 specie di ragni. Poi specialisti americani di diversi centri di ricerca (ogni gruppo indipendentemente) hanno introdotto questi geni nei batteri, cercando di ottenere le giuste proteine ​​in soluzione.

Gli scienziati dell'azienda di biotecnologia canadese Nexia hanno introdotto tali geni nei topi, quindi sono passati alle capre e le capre hanno iniziato a dare il latte con la stessa proteina che forma il filo della ragnatela. Nell'estate del 1999, due capre pigmee africane, Peter e Webster, sono state geneticamente programmate per produrre prole di capre il cui latte conteneva questa proteina. Questa razza è buona perché la prole diventa adulta già all'età di tre mesi. L'azienda tace ancora su come realizzare fili dal latte, ma ha già registrato il nome del nuovo materiale che ha creato: "BioSteel" ("biosteel"). Un articolo sulle proprietà del "bio-acciaio" è stato pubblicato sulla rivista "Science" ("Nauka", 2002, vol. 295, p. 427).

Gli specialisti tedeschi di Gatersleben sono andati dall'altra parte: hanno introdotto geni simili a ragni nelle piante: patate e tabacco. Sono riusciti ad ottenere fino al 2% di proteine ​​solubili nei tuberi di patata e nelle foglie di tabacco, costituite principalmente da spidroina (la principale fibroina dei ragni). Si presume che quando le quantità di spidroina prodotte diventeranno significative, ne verranno ricavate in primo luogo bende mediche.

Il latte ottenuto da capre geneticamente modificate difficilmente si distingue per gusto da quello naturale. Le patate geneticamente modificate sono simili a quelle ordinarie: in linea di principio possono anche essere bollite e fritte.

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 pochi sanno che se il nastro avesse un diametro di 1 mm, potrebbe sopportare un carico 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 creano fino a sette tipi di filo, ognuno con il proprio scopo. I fili possono essere usati non solo per catturare le prede, ma anche per costruire bozzoli e paracadutismo (volando nel vento, i ragni possono sfuggire a una minaccia improvvisa e in questo modo i giovani ragni si stabiliscono in nuovi territori). Ogni tipo di web è prodotto da speciali pressacavi.

La ragnatela utilizzata per catturare la preda è costituita da diversi tipi di fili (Fig. 1): telaio, radiale, cattura e ausiliario. Il più grande interesse degli scienziati è il filo della carcassa: ha sia un'elevata resistenza che un'elevata elasticità: è questa combinazione di proprietà che è unica. Stress finale alla rottura del filo scheletrico del ragno Araneo diadematoè 1,1–2,7. Per fare un confronto: la resistenza alla trazione dell'acciaio è 0,4–1,5 GPa e quella di un capello umano è 0,25 GPa. Allo stesso tempo, il filo della carcassa è in grado di allungarsi del 30–35% e la maggior parte dei metalli può resistere a una deformazione non superiore al 10–20%.

Immagina un insetto volante che colpisce una rete tesa. In questo caso, il filo del nastro deve allungarsi in modo che l'energia cinetica dell'insetto volante si trasformi in calore. Se il web immagazzinasse l'energia ricevuta sotto forma di energia di deformazione elastica, l'insetto rimbalzerebbe sul web come da un trampolino. Una proprietà importante del web è che rilascia una quantità molto grande di calore durante il rapido allungamento e la successiva contrazione: l'energia rilasciata per unità di volume è superiore a 150 MJ / m 3 (rilasci di acciaio - 6 MJ / m 3). Ciò consente al nastro di dissipare efficacemente l'energia dell'impatto e di non allungarsi troppo quando la vittima viene colpita. Ragnatele o polimeri con proprietà simili potrebbero essere materiali ideali per armature leggere.

Nella medicina popolare esiste una tale ricetta: su una ferita o abrasione, per fermare il sangue, puoi attaccare una ragnatela, pulendola accuratamente da insetti e piccoli ramoscelli bloccati al suo interno. Si scopre che il web ha un effetto emostatico e accelera la guarigione della pelle danneggiata. Chirurghi e trapiantisti potrebbero usarlo come materiale per suturare, rinforzare gli impianti e persino come preparati per organi artificiali. Con l'aiuto del web è possibile migliorare significativamente le proprietà meccaniche di molti materiali attualmente utilizzati in medicina.

Quindi, il web è un materiale insolito e molto promettente. Quali meccanismi molecolari sono responsabili delle sue eccezionali proprietà?

Siamo abituati al fatto che le molecole sono oggetti estremamente piccoli. Tuttavia, non è sempre così: intorno a noi sono diffusi i polimeri, che hanno molecole lunghe costituite da unità identiche o simili. Tutti sanno che l'informazione genetica di un organismo vivente è registrata in lunghe molecole di DNA. Tutti tenevano in mano sacchetti di plastica fatti di lunghe molecole di polietilene intrecciate. Le molecole polimeriche possono raggiungere dimensioni enormi.

Ad esempio, la massa di una molecola di DNA umano è di circa 1,9·10 12 a.m.u. (tuttavia, questo è circa cento miliardi di volte più della massa di una molecola d'acqua), ogni molecola è lunga 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 amminoacidi. Diverse proteine ​​svolgono funzioni estremamente diverse negli organismi viventi: controllano le reazioni chimiche, sono utilizzate come materiale da costruzione, per la protezione, ecc.

Il filo scheletrico del web è costituito da due proteine, che sono chiamate spidroine 1 e 2 (dall'inglese ragno- ragno). Le spidroine sono molecole lunghe con masse che vanno da 120.000 a 720.000 amu. In diversi ragni, le sequenze amminoacidiche delle spidroine possono differire l'una dall'altra, ma tutte le spidroine hanno caratteristiche comuni. Se allunghi mentalmente una lunga molecola di spidroina in una linea retta e guardi la sequenza di amminoacidi, si scopre che consiste in sezioni ripetute simili tra loro (Fig. 2). Nella molecola si alternano due tipi di siti: relativamente idrofili (quelli che sono energeticamente benefici a contatto con le molecole d'acqua) e relativamente idrofobici (quelli che evitano il contatto con l'acqua). Alle estremità di ciascuna molecola vi sono due regioni idrofile non ripetute, mentre le regioni idrofobiche sono costituite da molte ripetizioni di un amminoacido chiamato alanina.

Una lunga molecola (es. proteine, DNA, polimero sintetico) può essere rappresentata come una corda aggrovigliata. Non è difficile allungarlo, perché i cappi all'interno della molecola possono essere raddrizzati con uno sforzo relativamente piccolo. Alcuni polimeri (come la gomma) possono allungarsi fino al 500% della loro lunghezza iniziale. Quindi la capacità di una rete (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, le spidroine si accumulano come una soluzione concentrata. Quando si forma il filamento, questa soluzione esce dalla ghiandola attraverso un canale stretto, che aiuta ad allungare le molecole e ad orientarle lungo la direzione dell'allungamento, e i corrispondenti cambiamenti chimici fanno aderire le molecole. Frammenti di molecole, costituiti da alanine, si uniscono e formano una struttura ordinata simile a un cristallo (Fig. 3). All'interno di tale struttura, i frammenti sono impilati parallelamente tra loro e collegati tra loro da legami idrogeno. Sono queste sezioni, collegate tra loro, che forniscono la forza della fibra. La dimensione tipica di tali regioni densamente imballate di molecole è di diversi nanometri. Le aree idrofile situate intorno a loro risultano piegate casualmente, simili a corde accartocciate, possono raddrizzarsi e quindi fornire allungamento del nastro.

Molti materiali compositi, come le plastiche rinforzate, sono costruiti secondo lo stesso principio del filo della carcassa: in una matrice relativamente morbida e mobile, che consente la deformazione, sono presenti piccole aree dure che rendono il materiale resistente. Sebbene gli scienziati dei materiali lavorino da molto tempo con tali sistemi, i compositi realizzati dall'uomo stanno solo iniziando ad avvicinarsi al web nelle loro proprietà.

Curiosamente, quando il web si bagna, si restringe molto (questo fenomeno si chiama supercontrazione). Questo perché le molecole d'acqua penetrano nella fibra e rendono più mobili le regioni idrofile disordinate. Se la rete viene tesa e incurvata dagli insetti, in una giornata piovosa o piovosa si restringe e allo stesso tempo ripristina la sua forma.

Notiamo anche una caratteristica interessante della formazione del filo. Il ragno tira la tela sotto il proprio peso, ma la tela risultante (diametro del filo di circa 1-10 micron) può solitamente supportare una massa sei volte la massa del ragno stesso. Se aumenti il ​​peso del ragno, ruotandolo in una centrifuga, inizia a secernere una ragnatela più spessa e resistente, ma meno rigida.

Quando si parla di utilizzo del web, sorge la domanda su come ottenerlo in quantità industriali. Nel mondo esistono installazioni per i ragni "mungitori", che estraggono i fili e li avvolgono su apposite bobine. Tuttavia, questo metodo è inefficiente: per accumulare 500 g di ragnatela sono necessari 27mila ragni medi. È qui che la bioingegneria viene in soccorso. Le moderne tecnologie consentono di introdurre geni che codificano per proteine ​​web in vari organismi viventi, come batteri o lieviti. Questi organismi geneticamente modificati diventano fonti di reti artificiali. Le proteine ​​ottenute dall'ingegneria genetica sono dette ricombinanti. Si noti che di solito le spidroine ricombinanti sono molto più piccole di quelle naturali, ma la struttura della molecola (alternanza di regioni idrofile e idrofobiche) rimane invariata.

C'è la certezza che la rete artificiale non sarà inferiore a quella naturale nelle sue proprietà e troverà la sua applicazione pratica come materiale durevole ed ecologico. In Russia, diversi gruppi scientifici di vari istituti sono impegnati congiuntamente nella ricerca sulle proprietà del web. L'ottenimento di una rete ricombinante viene effettuata presso l'Istituto statale di ricerca di genetica e selezione di microrganismi industriali, le proprietà fisiche e chimiche delle proteine ​​vengono studiate presso il Dipartimento di Bioingegneria, Facoltà di Biologia, Università statale di Mosca. M. V. Lomonosov, i prodotti dalle proteine ​​\u200b\u200bweb si formano presso l'Istituto di chimica bioorganica dell'Accademia delle scienze russa, le loro applicazioni mediche vengono trattate presso l'Istituto di trapiantologia e organi artificiali.