Новое исследование показало, за счет чего хелицеры — ротовые придатки пауков, часть из которых иногда называют «клыками» — способны разрезать паутину и другие прочные волокна, такие как карбоновые и кевларовые нити.
Перерезание нитей паутины самкой паука Steatoda sp. / © Gabriele Greco et al., 2024, Advanced Science
Паутина — один из прочнейших природных материалов. Предельное напряжение на разрыв каркасной нити паука Araneus diadematus составляет 1,1-2,7 гигапаскаля. Для сравнения: предел прочности стали — 0,4-1,5 гигапаскаля, а человеческого волоса — 0,25 гигапаскаля.
Тем не менее сами пауки легко перерезают паутину, когда обращаются с добычей. Ученые ранее связывали эту способность с химией: считалось, что пауки вырабатывают особый фермент, растворяющий волокна. Однако такой механизм не позволяет объяснить скорость, с которой пауки справляются с паутиной, например, в случае опасности.
Раскрыть загадку взялась группа специалистов в области биотехнологий и биоинженерии из Швеции и Италии. В работе, статью о котором опубликовал журнал Advanced Science, они изучили пауков и сделанные ими разрезы с помощью сканирующего электронного микроскопа.
Также исследователи провели серию экспериментов с пауками видов Nuctenea umbratica и Steatoda triangulosa. Подопытные взаимодействовали не только с собственной паутиной, но и с аналогами, изготовленными учеными из синтетических волокон — нитей из углеродного волокна и кевлара. Последний используют для армирования медных и волоконно-оптических кабелей, а также при изготовлении бронежилетов.
В итоге ученые установили, что секрет умения быстро и эффективно рассекать прочнейшие нити кроется в морфологии паучьих хелицер. Оказалось, они покрыты зубцами с «функционально градуированным расстоянием» друг между другом, которое увеличивается от корня клыка к кончику.
За счет такого строения попавшие в хелицеры волокна соскальзывают по зубчатому краю, пока не упрутся в зазубрину сопоставимого размера. Благодаря этой особой геометрии точки контакта усилие, необходимое для рассечения волокна, становится минимальным, а сам процесс разрезания — максимально эффективным.
По словам ученых, их исследование не только помогает лучше понять, что обеспечивает эффективность паучьих клыков, но открывает интересные перспективы в других областях. Возможно, результаты позволят усовершенствовать существующие механизмы разрезания высокопрочных материалов и создать новые инструменты для этого.
Ранее исследователи из Института физико-химических исследований RIKEN (Япония) выяснили, что невероятно прочной паутину делает специфическая конформация домена белка.
В другой работе ученые предложили изготавливать из паучьего шелка линзы для биологических систем визуализации.
