Пауки — наши давние и извечные соседи, мы привыкли к ним и не слишком обращаем внимание на их неспешную, неустанную деятельность, пока вдруг не замечаем, что дальние углы жилища покрыты тончайшей сетью, или пока какой-нибудь шустрый сенокосец не спустится на своей нити прямо на уровень наших глаз. А что представляет собой паутина, как она устроена, из чего состоит, как ею пользуются пауки, может ли она быть нам полезна, или только собирает пыль, выводя из равновесия чистюль? Ответы на эти вопросы искала Анна Рубцова.

На каждый квадратный метр суши по статистике приходится 130 пауков. Почему же мы до сих пор не ходим по ним? Потому, что в тропических лесах их тысяча на квадратный метр, а в квартире всего один, но мы его не видим (и он нас тоже, поскольку полагается не на зрение, а на тактильные ощущения от колебаний).

Сколько же пауков вокруг вас в реальности, а не по статистике? Оглянитесь. Если вы не в стерильном медицинском боксе, а в городской квартире, счет идет на десятки.

Один паучок сумел сбежать даже из герметичного бокса на космической станции НАСА. В космосе.

Они приходят с улицы через окна, микрощели в стенах, незамеченными путешествуют на нашей одежде и обуви. Их влечет голод и любопытство. Если в квартире летает хотя бы одна маленькая мошка, то знайте — пауки у вас точно есть. Потому, что где их еда, там и они. Хорошая новость: они не живут у нас постоянно, не размножаются в домах бесконтрольно. Плохая новость: выселить их из дома можно, только если уничтожить всех насекомых в квартире. И с паутиной можно бороться только периодической уборкой.

Что такое паутина?

Паутина — это застывший секрет паутинных желез, белки и аминокислоты.По химическому составу он похож на шелк шелкопряда, но отличается меньшим количеством связывающего белка серицина. Это не однородная масса, а сложная структура, инженерная конструкция. Жидкий белок из паучьих желез не прядется, он создается вытягиванием состава из железы.

От махолетов до нанотехнологий: изобретения, вдохновленные природой

Паутинка — это несколько микромолекулярных нитей (одна ниточка шириной всего в 0.2 микрона), сплетенных вместе. Внутри нити — основа, жесткие нанокристаллы. Снаружи оболочка из белковых связок.

Такая структура является причиной следующих интересных качеств нитей:

• Эластичность (могут как сжиматься до половины длины, так и растягиваться в пять раз, но возвращаться в первичную форму),
• Прочность: разрывное усилие, предельное напряжение на разрыв нитки у паучьего шелка — от 0,4 до 2,6 гПа. Это означает, что нить порвется при весе в 40-260 кг на 1квадратный миллиметр. Стойкость паутины на износ сравнима с нейлоном.
• Температуроустойчивость: до минус 40 по Цельсию паутина сохраняет свойства
• Шарнирность: паучок может вращаться на нитке, но она не перекручивается.
• Волновые эффекты, обнаруженные при новейших экспериментах, такие, как запрещенная волновая зона, область отрицательной скорости и другие аномалии при распространении колебаний.

В отличие от, например, обычной нити или стального каната, у паутины уже при 20 градусах отклонения из-за колебаний структура деформируется и центр тяжести смещается относительно отклонения. Такая структура позволяет гасить до 75% колебаний. Пока паутина считается единственным биологическим материалом с таким свойством.

Как пауки придумали такую хорошую вещь?

Пауки — древние создания, куда старше млекопитающих. В Девонском периоде Палеозоя, как только появилась почва и первые леса из хвойных и папоротниковых, а земноводные вышли на сушу, в этих лесах появились они: клещи, комары и пауки. До того паукообразные жили в воде и питались рыбой, как например знаменитый гигантский ракоскорпион.

Но самые старые отпечатки паутины — с датировкой в 240 миллионов лет д н.э. А возраст найденного в раскопках окаменелого брюшка оценивают в 380 миллионов лет.

Протопауки Девона не создавали сетей, они еще не умели контролировать процесс. Кусочки шелка просто выпадали следом за пауком. Они использовали эти лоскутки, чтобы оборачивать яйца в кокон и приманивать партнера. Железы для паутины у предков пауков напоминали лейку от душа с 12 отверстиями, через которые выделялся секрет. Соединялись они уже снаружи, «вручную». Прядильные трубочки у них уже были, а вот паутинных бородавок-фильер, придающих форму и соединяющих нити, еще не было. С тех пор прошли миллионы лет, и паукообразные развили семь видов паутинных желез, в зависимости от нужд.

У современных пауков разные устройства желез, от простых мешков с фильерой (видимым отверстием железы) до сложных желез нефил. Пауки могут выдавать до семи различных видов паутины. Наибольший интерес для ученых представляют свойства нити каркаса.

Что не так с паучьей фермой?

Первыми в производстве тканей из паутинного шелка по легендам были древние китайцы, любители различных диковинок. Первый задокументированный случай создания одежды из паутины относят к 1710 году, когда предприниматель и естествоиспытатель Де Се Хилер из города Монпелье подарил королю перчатки и чулки. Также упоминаются перчатки Наполеона (речь о перчатках, подаренных креолками-мавриканками его жене, Жозефине).

Насекомые в городской среде: очень разные соседи

Французские естествоиспытатели безуспешно попытались получить паутину промышленным способом, разведя ферму. Пауки отказывались содержаться вместе, как шелкопряды, питались друг другом и вообще оказалось, что разводить территориального хищника-каннибала большими партиями — плохая идея. Кроме того, крестовик дает слишком мало паутины для промышленных целей. Им удалось создать метр ткани до того, как ферма закончилась.

Мадагаскарская роскошь

В отличие от Европы, Америки и Китая, в Африке тропические виды пауков производят более прочные и длинные нити. Если 1600 европейских крестовиков по подсчетам естествоиспытателя Реомюра могли дать материал максимум в метр, то 1,2 милллиона мадагаскарских пауков-кругопрядов (нефил) за семь лет выработали достаточно материала, чтобы соткать около четырех метров ткани.

Нефилы это род крупных тропических пауков, гены которых используются для получения искусственной 
паутины. Выбраны в качестве образчиков и доноров за то, что прядут одну из самых больших паутин в 
мире. Их еще называют банановыми пауками или золотыми кругопрядами.

Мадагаскарские дизайнеры из Антананариву Саймон Пирс и Николас Годли, используя опыт аббата Камбуэ (который придумал соединять ткацкий станок напрямую с пауками, сидящими в отдельных коробочках), наловчились «доить» пауков с применением современных технологий. И в 2009м году создали уникальное платье из натурального золотого паучьего шелка. Один метр этой ткани оценивается в 500 тысяч долларов, а весит изделие меньше килограмма.

Как они обошли проблему паучьей фермы? Каждый сезон команда из 80 обученных рабочих набирала новую партию производителей материала, держали их в условиях, близким к естественным, усыпляли, доили, кормили, отпускали. Следили, чтобы не ели друг друга.

Паутину мадагаскарцы превращали в нити по своей старой традиционной технологии. Дело в том, что еще в 19 веке из такого полотна ткались наряды для местных правителей. Модельеры использовали народные наработки, сочетая их с новейшими приборами. Сегодня это платье находится в Лондоне, музее Виктории и Альберта.

А для промышленных нужд и потокового производства ученые-исследователи пошли путем создания искусственного шелка. Цена такой материи — сто долларов за килограмм. Технология совершенствовалась последние двадцать лет и сегодня используется в производстве биопротезов, кевларовых жилетов, технических тканей и модной одежды.

Свойства паутины используют для создания новых материалов

Для производства искусственной паутины необходимо повторить не только химические, но и физические свойства, структуру паучьей нити. Пока это не удалось в полной мере, но ученые уже добились впечатляющих результатов.

С 2016 года Эдвин Томас из университета Райса (Техас) с командой исследователей (и ряд его коллег из Сингапура) изучают и стараются воспроизвести кристаллическую структуру паутины в искусственных полимерах, с целью получения похожих по свойствам материалов, и применения их в новых технологиях звукоизоляции и теплоизоляции.

В 2012–2015 годы Эмилиано Лепоре и Никола Пуньо из Трентского университета проводили эксперименты с графеном, скармливая его паукам-сенокосцам непосредственно и создавая новую технологию напыления графена на биоматериалы (до того технология была рассчитана только на работу с неорганикой). Они пытаются добиться новых сверхпрочных материалов, так как работают над созданием полимеров с уникальными свойствами. В 2013м году команда Николы Пуньо, используя сложную структуру паутины на скользящих петлях смогла из не особо прочных синтетических материалов создать материал, обладающий ударной вязкостью, достаточной чтобы останавливать пули.

Никола Пуньо вдохновляется идеей создания костюма человека-паука со свойствами, заявленными в фильме (сверхпрочность и прилипание к стенам), но сам фильм его не интересует. Только костюм.

Благодаря этим исследованиям, искусственную паутину применяют в кевларовой броне и в специальных предметах для строителей и спасателей, биопротезах, косметике. и модной одежде.

Биологи и медики экспериментируют с паутиной для создания материалов для биопротезирования. Ученые Туньханьского университета из Тайваня заинтересовались вопросом, гниет ли паутина. И правда ли, что она обладает антибактериальными свойствами. Провели эксперимент, поместив паутину тропических нефил и пауков-волков в чашки Петри с бактериями. Оказалось, что для развития бактерий необходима дополнительная азотная среда, так как из-за структуры молекул тот азот, что входит в соединения белков паутины, для бактерий недоступен. Так что паутина не столько убивает бактерии, сколько является для них барьером.

Как наладить массовое производство материалов с уникальными свойствами паутины?

В разных исследовательских проектах пытались привить паучьи гены (в основном нефил, иногда паука-волка) козе, шелкопряду и бактериям. На сегодняшний день ученые сконцентрированы на более перспективных бактериях и технологиях мокрого прядения из раствора белков. Разработки велись еще в середине 90х годов прошлого века, но первые промышленные образцы появились десятилетие спустя, а запуск в массовое производство — еще спустя лет десять, в наши годы.

Представленные ниже стартапы используют для производства белка паучьего шелка спидроина измененных шелкопрядов, модифицированную кишечную палочку (Escherichia coli) и дрожжи (Pichia pastoris).

Kraig Biocraft Laboratories: бронежилеты и шелкопряды

Непростое биоразнообразие: кто должен решать судьбу видов?

Бактериостатические свойства и устойчивость паучьего шелка к разложению заинтересовали ученых из лаборатории Крейг Биокрафт (Мичиган, США), направленной на создание новых биотехнологий. Биологи также использовали наработки коллег из института Нотр-Дама и пошли по пути создания искусственной паутины методами генной инженерии. Первоначально использовали модифицированных шелкопрядов. В 2020 году компания значительно улучшила технологию и производит практически идентичный натуральному паучий шелк. На сегодняшний день они владеют передовыми технологиями обработки искусственного спайдерина, сотрудничают с рядом университетов США. У них своя линия производства и запатентованный материал DragonSilk. В 2019 году их дочерняя компания «Продиджи Текстайлз», специализирующаяся на высокопрочных технологичных тканях, открыла производственные мощности во Вьетнаме. Компания предоставляет материалы для производства бронежилетов, автомобильных подушек безопасности, страховочных ремней, парашютов, сетей и спортивных товаров.

Spiber: японское упорство, дрожжи и поиск инвесторов

Стартап «Спайбер» Казухиды Сакиямы рассчитывал на перенос технологий в массы. Сначала, у них не было финансирования, как у ученых, изучающих новые материалы, но они не сдавались. Пошли по пути американских генных инженеров, использовали бактерию. Получив таким образом в 2009 году 2 сантиметра ткани, заинтересовали в производстве фэшн-гиганта North Face. Теперь выпускают куртки из паучьего шелка Spiber под брендом Moon Parka. В будущем надеются поставить технологию на широкий поток и снизить стоимость материала до ста долларов за килограмм. Сейчас заняты удешевлением производства и процессов выращивания бактерий. Компания продолжает развиваться, несмотря на кризис, выпустила коллаборацию с дизайнером Юимой Наказато, участвует в конференциях и открыта к сотрудничеству.

Bolt Threads: американский стартап, галстуки и косметика

Стартап компания из Калифорнии «Болт Тридс» начинала в 2009 году. Основали компанию ученый Дэвид Бреслауэр, менеджер Дэн Видмейер и предприниматель Итан Мирски. Они добились успеха в производстве шелка, запатентовали волокно MicrosilkTM, выпустили галстуки из паучьего шелка и создали кооперацию с брендом «Стелла Маккартни». Производители изучают паутину, выделяя нужные гены, создают нужные белки, встраивая гены в дрожжевые бактерии, производят белки в большом количестве с помощью ферментации, выделяют и очищают шелковый протеин и делают нити. Также поставляют протеины шелка для косметики, например веганского бренда «Вегамур».

Немецкий стартап AMSilk: протезирование и кроссовки

Компания была основана в 2008 году в городе Планнег, недалеко от Мюнхена. У них свое производство спайдерина под маркой Biosteel, сотрудничество с Adidas по производству кроссовок и партнерство по производству грудных имплантов с местной компанией «Polytech». Разработки компании направлены на биостатичность и экологичность. Компания планирует поставлять полимеры шелка для медицинских нужд и заботиться о высоком качестве жизни человека.

Уже сегодня мы можем заказать онлайн парку, кроссовки и домашнюю одежду из искусственной паутины. А в следующем десятилетии нас ждут промышленные объемы производства искусственного паучьего шелка, применение его удивительных свойств в медицине, косметологии и технических новинках.

Автор: Анна Рубцова