Четки из шелка мадагаскарского паука. Бронежилет из паутины. Сверхпрочный паучий шёлк - современный подход
Офицеры американской армии и полицейские в защитных целях носят тяжелые несгибаемые бронежилеты, способные обеспечить достаточный уровень защиты. Однако шелк мадагаскарского паука в 10 раз крепче кевлара, материала, использующегося в большинстве бронежилетов.
Если бы можно было изобрести способ производства паучьего шелка в промышленном масштабе, тогда бы бронежилеты изготавливались из легковесного сверхпрочного материала, способного надежно защитить тело от пуль и шрапнели.
По прошествии нескольких десятилетий с того момента когда были проведены первые опыты в этой области, у ученых есть, наконец-то, реальная возможность найти способ изготовить защитный бронежилет из шелка паука.
Помимо того, что такая идея выглядит весьма инновационной, это еще и подразумевает, что солдаты и офицеры полиции будет экипированы ультралегкими гибкими и сверхпрочными бронежилетами, способными эффективно противостоять пулям, попадающим в корпус тела. Сейчас американские солдаты носят тяжелые громоздкие, стесняющие движения средства защиты. Обычно это крайне тяжелые жилеты с, как минимум, двумя керамическими пластинами, призванными защитить от осколков гранат и пуль верхнюю часть тела военнослужащего.
Принцип действия сплошной брони заключается в том, что сила противодействия ее поверхности равносильна силе удара пули. Однако чем большую защиту предоставляет броня, тем тяжелее и неудобнее будет жилет. Самый легкий бронежилет способен защитить лишь от снаряда мелкого калибра, сила удара которого сравнительно низка. Уровень защиты сплошной брони может быть увеличен посредством добавления дополнительных защитных пластин.
Несмотря на то, что личные средства защиты очень важны, тем не менее, в инструкциях для полицейских довольно часто появляются напоминания о том, что офицер без бронежилета в 14 раз чаще рискует погибнуть от выстрела. Полицейским приходится выбирать между маневренностью, свободой в движениях и возможностью быть сраженным пулей.
Солдаты, находясь в зонах военных действий, ежедневно ходят в бронежилетах, полицейские же в менее рисковых ситуациях часто предпочитают удобство и легковесность брони средней степени защищенности. Пуля, столкнувшись с поверхностью бронежилета, оставляет на теле так называемую запреградную травму, распределяя силу удара по все плоскости тела, вследствие чего она не фокусируется в одной точке. Мягкая тканевая бронезащита замедляет полет пули или шрапнели благодаря наличию нескольких слоев, либо переплетенных волокон, которые действуют, на манер рыболовецкой сети, паутины паука.
Легковесная гибкая броня с высоким уровнем защищенности, присущим бронежилетам солдат спецвойск, до недавнего времени была только мечтой.
Считается, что ткань кевлара для мягкой бронезащиты, выпускаемая компанией DuPont, в пять раз прочнее стали, такой материал широко используется полицейскими. Однако прочность шелка паука все-таки выше его искусственных аналогов, и на протяжении нескольких десятилетий ученые предпринимали попытки создать броню в стиле человека паука.
Виток за витком исследователи пытаются собрать паучью паутину, которая легче по весу и в то же время в три раза эластичнее кевлара, но и в пять раз прочнее промышленной стали. Несмотря на размер и вес, шелк паука обладает природными способностями противостоять мощной силе удара.
В прошлом году группа немецких ученых из Гейдельбергского института теоретических наук проводили исследования с целью определить составные части того механизма, благодаря которому паучий шелк становится столь крепким. Есть два ключевых этапа производства ткани из шелка паука: мягкий вязкий гель, вначале содержится в брюшной полости паука, затем он превращается в очень прочную нить, когда гель выходит из тела паука. Результаты исследования, опубликованные на страницах Biophysical Journal, указывают на то, что компоненты, которые придают шелку эластичность, также способствуют тому, что нить становится чрезвычайно крепкой. И хотя использование в своих целях свойств шелка паука на первый взгляд не представляется посильной задачей, тем не менее, заветная цель все еще весьма далека, и на пути к ней не обходится без серьезных затруднений.
Среди вызовов, стоящих перед учеными, называют необходимость определить геном идеального шелка паука, а также найти способ, который бы позволил синтезировать белковый элемент, производящий шелк, а также следует определить метод производства такого белкового элемента в необходимых количествах.
В течение довольно длительного времени предметом исследования был представитель наиболее опасных паукообразных - черна вдова, чья паутина является исходным материалом брони, прочность которой выше кевлара и стали.
Однако при разведении пауков исследователи столкнулись с одной проблемой: пауки не могли ужиться друг с другом и беспрерывно враждовали, не производя достаточного количества материала. В 2007 году ученые из Университета Калифорнии объявили о том, что они раскрыли тайну генома шелка черной вдовы и в дальнейшем намеревались ввести искусственно созданные гены в томатные растения, что, по их мнению, могло привести к тому, что томаты производили бы шелк пауков.
Растения томатов, зерновые, бактерии, дрожжи и даже козы - все эти средства, наряду с техническими средствами, в определенное время использовались в попытке трансформировать гель пауков в твердые нити.
Тутовые шелкопряды производят тонкий шелк, но у них имеется огромный природный потенциал произвести до одного километра шелка за несколько дней. В 1999 году таиландский Технологический Институт Раджамангала сообщил, что был создан бронежилет, в котором использовалась обычная паутина, для производства которой не требуется больших затрат. Во время испытаний 16 слоев шелка были способны остановить 9-миллиметровую пулю, и жилеты, изготовленные из такого материала, успешно обеспечивали защиту от выстрелов, произведенных из оружия калибра.22.
Авторами недавнего достижения в этой сфере являются представители Университета Вайоминга, результаты их исследования появились на страницах издания «Proceedings of the National Academy of Sciences». Согласно опубликованной информации, исследователям удалось преуспеть по части генетического модифицирования тутовых шелкопрядов, которое было предпринято с целью разработки микса шелка червя и паука, который был бы столь же крепок, что и шелк паука.
Есть мнение, что Святой Грааль бронежилета из паучьего шелка удастся найти тогда, когда будет раскрыта тайна генома мадагаскарского паука, чья паутина, как считается, в 10 раз крепче, чем кевлар, такое открытие позволило бы построить заводы по производству шелка. Шелк мадагаскарского паука считается самым прочным материалом, который существует на планете, он в 100 раз крепче любого другого шелка.
Этот паук был обнаружен на Мадагаскаре в прошлом году, диаметр окружности его паутина может достигать 25 метров, такой материал чрезвычайно эластичен и его способность противостоять силе удара пули в три раза превышает аналогичный показатель кевлара.
Парашюты, воздушные подушки, спортивная одежда, рыбацкие сети - список потенциально возможного применения шелка паука можно продолжить.
На данный момент проводятся исследования на предмет его использования в медицинских целях - в хирургических нитках для швов, прочных искусственных сухожилиях и связках, а также в качестве дополнительных соединений для восстановления нервных тканей, в которых используется упругость шелка.
Резюмирую все известные на данный момент сведения о шелке мадагаскарского паука, можно сказать о том, что применение такого материала в полицейских бронежилетах станет революцией в сфере экипировки представителей правоохранительных органов.
Мне бы только
мой крошечный вклад внести,
За короткую жизнь сплести
Хотя бы ниточку шелка...
Флёр
В эти осенние дни, погнавшись в лесу за неосторожным грибом, мы вполне можем попасть в ловчие сети паука. Конечно, эти сети нас не удержат, мы разрушим ажурное плетение - плод труда арахнида и, стряхивая паутину с лица, рук или одежды, недовольно скажем что-нибудь вроде: «Понавешали тут сетей». Вместе с тем, наверное, стоит удивиться эволюции, создавшей паука и его паутину - прочную и эластичную. Это настолько удачный материал, что уже сейчас его начинают применять люди, и не только в трансплантационной медицине, - из нее даже делают спортивную обувь. Компании, производящие тонны паутины (точнее, белков, входящих в ее состав), растут как грибы.
Самая прочная среди эластичных
Волокна паутины отличаются исключительными механофизическими свойствами. Благодаря прочности на разрыв и упругости они могут поглощать много энергии, не разрушаясь. Если взять одинаковые по массе образцы белка паутины и синтетического арамида - кевларовых волокон, окажется, что кевлар до разрушения сможет поглотить в три раза меньше энергии. В составе фибриллярного белка паучьего шелка основные аминокислотные остатки - глицин, аланин и серин. Прочность и эластичность микрометровых каркасных нитей паутины (то есть радиальных, в отличие от менее прочных спиральных) объясняется тем, что внутри них есть жесткие белковые кристаллы размером в несколько нанометров, соединенные между собой эластичными пептидными связками. Предельное напряжение на разрыв каркасной нити обыкновенного крестовика Araneus diadematus - 1,1–2,7 ГПа. Для сравнения: предел прочности стали 0,4–1,5 ГПа, человеческого волоса - 0,25 ГПа. И обычный шелк уступает паучьему по этому показателю. Конечно, паутину нельзя назвать ни самым прочным, ни самым эластичным материалом, но эти свойства в ней идеально сбалансированы.
Еще 15–20 лет назад в мире существовало не более десяти исследовательских групп, изучавших свойства белков паутины и особенности их образования. Сейчас таких команд уже несколько десятков, а практическое применение паутины в реальной жизни приближают три успешно работающие биотехнологические компании. Исследователи уже раскрыли, как пауки прядут паутину, установили особенности ее состава, и эти детали позволяют находить новые области применения паутины - от регенерации нервной ткани до способов упаковки потребительских товаров и разработки новых клеевых составов. Медиков паучий шелк привлекает не только идеальным сочетанием прочности и эластичности, но и тем, что практически не вызывает иммунного ответа. Белки паутины применяются и в биохимических лабораториях - их цепочки можно модифицировать низкомолекулярными соединениями, придавая белкам особые свойства.
Основные компании, ведущие разработки в этой области и уже производящие продукт, - образованные в 2008–2009 годах немецкая AMSilk , японская Spiber и американская (калифорнийская) Bolt Threads . Обычно от появления новой химической компании, создающей принципиально новые химические продукты, до их выхода на рынок и начала продаж проходит намного больше времени.
От косметики до хирургии
Арахнофобы могут не беспокоиться. Предприятия по производству искусственной паутины непохожи на паучьи фермы, там вообще нет пауков и прочих членистоногих. Вместо них «плетением паутины» занимаются трансгенные организмы, которые содержат гены, управляющие экспрессией белков паутины, главным образом бактерии и дрожжевые грибки. Хотя шелк паутины производят и организмы, от которых этого никак не ожидаешь; например, существует стадо генетически модифицированных коз в полсотни голов, которые дают молоко с белками паучьего шелка. Из одного литра молока такой козы можно выделить до 4 граммов этих белков; впрочем, бактерии и грибки оказались более эффективными «эрзац-пауками».
Например, компания AMSilk применяет генно-модифицированные версии E. coli . Бактерий выращивают в больших чанах для ферментации, затем клетки разрушают и выделяют белок паучьего шелка в виде белого порошка, который затем может быть гранулирован, превращен в гидрогель или в волокна, - производители биосинтетической паутины реализуют свою продукцию во всех трех формах.
Одно из направлений деятельности AMSilk - косметические средства Silkbeads и Silkgel с белками паучьего шелка, которые обеспечивают коже дышащую защиту от бактерий и вредных веществ в окружающей среде. Биосинтетический паучий шелк часто рекламируют как «веганский шелк» - специально для тех, кто считает неприемлемым убийство окуклившихся гусениц тутового шелкопряда (видимо то, что для получения биосинтетической паутины приходится умерщвлять E. coli , не ввергает веганов в тоску).
Для косметологов биосинтетическая паутина хороша тем, что ее белки не вызывают иммунного ответа и на их поверхности плохо растут и размножаются бактерии. Еще важнее эти свойства для биомедицины, а обусловлены они первичной структурой белков. Волокна шелка паутины состоят из спидроиновых белков, которые содержат повторяющиеся пептидные последовательности, обрамленные неповторяющимися, индивидуальными доменами, более половины аминокислотных остатков в которых приходится на глицин. Возможно, именно высокое содержание глициновых остатков во внешних доменах спидроинов (остальные аминокислотные остатки находятся внутри структуры белков паутины) и делает паучий шелк биосовместимым. Дело в том, что глицин - самая маленькая аминокислота, ее боковая группа, не участвующая в образовании белковой цепочки, состоит из одного атома водорода, и это снижает вероятность участия остатков глицина в химических реакциях и межмолекулярных взаимодействиях. Именно поэтому клетки не могут связываться со спидроинами, и поэтому биотехнологический паучий шелк наносят на поверхность медицинских устройств, чтобы спидроины обеспечивали им биологическую защиту.
Исследователи из AMSilk сообщают об экспериментах, в которых белки паучьего шелка наносили на катетеры из полиуретана, полистирола, полиэтилена, а также на металлы и керамику для имплантатов. Оказалось, что такое покрытие обеспечивает хорошую антибактериальную защиту и снижает риск осложнений при использовании полисилоксановых (силиконовых) имплантатов (Philip H. Zeplin et al. Spider Silk Coatings as a Bioshield to Reduce Periprosthetic Fibrous Capsule Formation // Advanced Funcional Materials , 2014, 24, 2658–2666; doi: 10.1002/adfm.201302813 ). На покрытии из биотехнологической паутины бактериальные биопленки растут хуже, чем на тефлоне и стали.
Выращивание биологических тканей
Тезка японской компании Spiber - шведская Spiber Technologies еще не может похвастаться продуктами, выведенными на рынок, она находится на стадии опытно-конструкторских разработок и получает белки только в граммовых количествах. Биотехнологи этой компании ввели E. coli лишь часть гена, ответственного за выработку спидроинов, так что бактерии вырабатывают белки размерами около одной десятой от длины нативных белков паучьего шелка. Из этих белков собираются изготавливать сетчатые или пористые каркасы для направленного выращивания стволовых клеток, реконструкции костной ткани и заживления ран. В подобных матрицах уже успешно культивировали клетки млекопитающих. Недавно шведские исследователи модифицировали свои «строительные леса» из шелка, придав им мотив связывания, характерный для гликопротеида фибронектина, и обнаружили, что с таким модифицированным шаблоном клетки кожи связываются эффективнее (Widhe M. et al. A fibronectin mimetic motif improves integrin mediated cell biding to recombinant spider silk matrices // Biomaterials , 2016, 74, 256–266; doi: 10.1016/j.biomaterials.2015.10.013 ).
Обычно клетки культивируют на плоской поверхности, однако для выращивания большинства органов и тканей необходимы объемные каркасы. Трехмерные пористые системы из укороченных спидроинов с внедренными в них активаторами роста клеток имитируют матрикс ткани и «обманывают» клетки, заставляя их расти в нужном направлении.
Например, исследователи учатся выращивать таким способом небольшие участки ткани поджелудочной железы, необходимые для лечения диабета. Матрицы из паучьего шелка in vitro могут поддерживать стабильность колоний клеток поджелудочной железы человека в течение трех месяцев (Johansson U. et al. Pancreatic Islet Survival and Engraftment Is Promoted by Culture on Functionalized Spider Silk Matrices // PLoS One , 2015, 10, e0130169; doi: 10.1371/journal.pone.0130169 ). Трехмерная матрица не только обеспечивала жизнеспособность клеток, но и способствовала тому, что они реагировали на стимуляцию глюкозой, вырабатывая инсулин. Со временем ткань увеличивалась в объемах, и в ней формировалось больше сосудов (Shalaly N. D. et al. Silk matrices promote formation of insulin-secreting islet-like clusters // Biomaterials , 2016, 90, 50–61, doi: 10.1016/j.biomaterials.2016.03.006 ), что повышает шансы на успешную трансплантацию.
Работающая в сотрудничестве со Spiber лаборатория Анны Ризинг из Королевского Каролинского университета Швеции использует модель ex vivo для изучения особенностей регенерации ткани спинного мозга в присутствии паучьего шелка. Исследования показали, что ткань периферического нерва овцы успешно росла на направляющих из паучьего шелка (Widhe M. et al. Invited review current progress and limitations of spider silk for biomedical applications // Biopolymers , 2012, 97, 6, 468–478, doi: 10.1002/bip.21715; Rising A. Controlled assembly: a prerequisite for the use of recombinant spider silk in regenerative medicine? // Acta Biomaterialia , 2014, 10, 4, 1627–1631, doi: 10.1016/j.actbio.2013.09.030 ).
Подражая природе
Паук прядет паутину с помощью специальных паутинных желез - нити образуются из высококонцентрированного раствора белка, из этого раствора самка паука может свить до семи типов волокон. Недавно в лаборатории Ризинг получили рекомбинантные белки паучьего шелка, которые имеют не только аналогичные натуральным белкам повторяющиеся последовательности, но также N- и С-концы, характерные для паучьего спидроина (Andersson M. et al. Silk Spinning in Silkworms and Spiders // International Journal of Molecular Sciences , 2016, 17, 8, pii: E1290. doi: 10.3390/ijms17081290 ). В настоящее время N- и С-концы большей части биотехнологических спидроинов не такие, как у природных, а между тем ряд ученых, например Томас Шайбель из Байройтского университета, считают, что именно начало и конец цепи критически важны для образования прочных волокон из водного раствора (Schacht K. et al. Biofabrication of cell-loaded 3D spider silk constructs // Angewandte Chemie Int. Ed. , 2015, 54, 2816–2820; doi: 10.1002/anie.201409846 ).
В настоящее время большинство лабораторных способов, позволяющих превратить белки паучьего шелка в волокна, основаны на применении гексафторизопропанола - токсичного растворителя, который не только опасен, но еще может медленно разрушать белки и имеет высокую себестоимость. Все это исключает возможность его промышленного применения. Недавно был опубликован метод, позволяющий растворять спидроины в чистой воде и получать из них волокно (Jones J. A. et al. More Than Just Fibers: An Aqueous Method for the Production of Innovative Recombinant Spider Silk Protein Materials // Biomacromolecules , 2015, 16, 1418–1425; doi: 10.1021/acs.biomac.5b00226 ). Раствор для прядения волокон можно сделать с помощью микроволновой печи, предполагается, что растворение обеспечивается воздействием температуры и давления. Компании, разрабатывающие методы прядения волокон из паучьего шелка, придумывают свои подходы, которые не публикуют в открытой печати, но и они предпочитают тянуть искусственную паутину из водного раствора, минимизируя применение дорогих и опасных растворителей.
Лабораторный протокол обработки биотехнологического паучьего шелка предполагает процедуру осаждения-высаливания белков, причем они денатурируют. Затем осажденный и денатурированный белок формируют в волокнистую структуру из суспензии в водно-спиртовом растворе. Отдельные волокна можно свить в нити, содержащие от восьми до двадцати четырех жил, - такие нити уже подходят для практического применения. Но компаниям необязательно прясть паутину - для нанесения покрытий проще использовать биотехнологические спидроины в виде порошка или гидрогеля. Подсчитано, что килограмма паутинных белков хватит на антибактериальные и антикоагулирующие покрытия для нескольких миллионов (от одного до десяти - зависит от размера) катетеров. Есть надежда, что к концу 2017 года такое медицинское оборудование закончат тестировать на животных, в ближайшие 5 лет некоторые его образцы пройдут сертификацию Управления по контролю продуктов питания и лекарственных средств США (FDA) и начнут применяться в клинической практике.
Костюм Спайдермена
Искусственные спидроины применяют не только в биомедицине. Уже упоминалось, что прочность паучьего шелка на разрыв выше, чем у кевлара, но, увы, способность эластично деформироваться в ответ на механическую нагрузку не позволяет рассматривать чистые спидроины в качестве материала для «натуральных» бронежилетов. Пулю бронежилет из паучьего шелка поймает и остановит, но к тому моменту она, скорее всего, выйдет из туловища или застрянет во внутренних органах вместе с «бронежилетом». Преимущество арамидных волокон, из которых делают кевлар, состоит как раз в том, что они не деформируются. Тем не менее композиты спидроинов с арамидами или углеволокном вполне подходят для изготовления гибких и прочных конструкционных элементов автомобилей или беспилотных летательных аппаратов. Существуют композиции рекомбинированного паучьего шелка с керамическими наночастицами, которые могут блокировать газы и пары воды, получаются идеальные материалы для упаковки пищевых продуктов (Doblhofer E. Structural Insights into Water-Based Spider Silk Protein - Nanoclay Composites with Excellent Gas and Water Vapor Barrier Properties // ACS Applied Materials and Interfaces , 2016, 8, 25535–25543; doi: 10.1021/acsami.6b08287 ). В их производстве не используются токсичные вещества, белки растворяют в воде, а сам композит прозрачен и биоразлагаем.
Еще одно важное преимущество паучьего шелка - он не плавится. Поэтому текстиль из паучьих нитей, натуральных или полученных биотехнологически, интересует создателей армейской экипировки. Под воздействием высоких температур, например вспышек светошумовых и боевых гранат, нейлоновые ремешки каски и других элементов одежды современных солдат могут расплавиться, а то и приплавиться к коже, причинив серьезные ожоги. Волокна и текстильные изделия из искусственной паутины просто обугливаются, что снижает риск дополнительного температурного воздействия на кожу - именно это и интересует военных, готовых платить больше для обеспечения безопасности личного состава. Пока что стоимость биосинтетической паутины высока, и среди одежды доступной ценовой категории вряд ли в ближайшее время можно будет найти вещь с ярлычком «spider silk» (товары с AliExpress не в счет, о них производители могут написать что угодно). Однако две компании все же рискнули вывести на рынок одежду из биотехнологических спидроинов.
Так, в сентябре 2015 года компания по производству спортивной одежды для активного отдыха The North Face начала рекламировать и испытывать куртку-штормовку из рекомбинированного паучьего шелка. Первые образцы обещают выпустить уже в этом, 2017 году. Они будут изготовлены из паучьего шелка от японской компании Spiber . Представители компании уверяют, что им удалось снизить затраты на производство спидроиновых волокон до ста долларов за килограмм. Однако чтобы ткани из синтетической паутины перестали быть уделом избранных, себестоимость производства пряжи должна стать хотя бы такой же, как у натурального шелка тутового шелкопряда (30–70 долларов за килограмм, в зависимости от качества). Компания Spiber надеется, что эта цель вполне достижима, ее конкуренты тоже так считают, разрабатывая все более дешевые технологии.
Так, уже упоминавшаяся немецкая компания AMSilk использует белки биосинтетического паучьего шелка для изготовления волокон под торговым названием Biosteel («Биосталь»). Руководство AMSilk уверено, что из этого волокна будут делать обувь и одежду, а также текстиль для отделки кресел автомобилей и самолетов. В 2014 году фирма «Адидас» представила линию спортивной тренировочной обуви, сделанной практически целиком (кроме подошвы) из волокон Biosteel .
Таким образом, липкая лесная паутинка прошла долгий путь, и теперь из нее плетут прочные сети новые химические компании, которые сумели наладить производство всем известного природного материала и нашли ему множество применений. Может быть, через десять лет производство биосинтетической паутины разовьется настолько, что мы будем спрашивать консультантов в магазине одежды, из какого именно натурального шелка эта кофточка - шелкопрядного или паучьего. Естественно, спидроины шелка будут и дальше оплетать своими сетями хирургию, регенеративную медицину, а также новые области, о которых мы пока и не подозреваем. Глядишь, появится приспособление, способное выстреливать нитью биосинтетической паутины, чтобы лазить по стенам или иммобилизовать недоброжелателей, - и, главное, делать это можно будет, не дожидаясь укуса радиоактивного паука-мутанта.
Паутинный шелк - чудесный материал, обладающий легкостью, эластичностью и удивительной прочностью. Дэн Видмайер (Dan Widmaier), гендиректор Bolt Threads, уверен, что за полученным методами генной инженерии шелком - будущее текстильной индустрии.
В 1709 году Франсуа Ксавье Бон де Сент Илер, президент суда по счетам, пошлинам и финансам в Монпелье во Франции, подарил королю-солнце Людовику XIV пару носков из паутинного шелка, сделанных из сотен тщательно отобранных коконов. «Сейчас единственная сложность - процесс добычи необходимого количества коконов, чтобы сделать что-то стоящее», - написал Бон в письме, адресованному королевскому обществу Британии в том же году. Тремя столетиями позже сложность (не такую уж несущественную) удалось решить, и некоролевские особы впервые получили возможность купить себе предмет одежды из паутинного шелка - галстук, покрашенный в цвет морской волны, выпущенный ограниченным тиражом в пятьдесят экземпляров компанией Bolt Threads, занимающейся .
Конечно, пауки уже давно производят шелк для своих целей. Если верить Полу Хиллиарду, автору книги «Частная жизнь пауков» (Private Life of Spiders) , впервые это было замечено в штате Нью-Йорк на месте раскопок Девонского сланца, которому 380 миллионов лет: в этом месте палеонтологи нашли окаменелую брюшную часть паука, напоминающую лейку душа с двадцатью отверстиями, через которые древние пауки выделяли шелковые волокна, чтобы затем соединить их в одну нить. С тех пор пауки развили семь разных шелковых желез. Самцы пауков-крабов ткут гроздевидный шелк, которым связывают самок перед спариванием; самки ткут трубчатые коконы; пауки-каменщики выделяют особые липкие капельки, с помощью которых создают навесные люки из слоев земли и шелка.
Но самым практичным является похожая на пузырь форма (или каркасная нить), которую пауки задействуют для спуска и укрепления паутин. Вместе эти разные шелка используются в производстве самых разных вещей: водолазных капсул, навесов и даже камуфляжа. «Небольшое неаккуратно выглядящее пятно белого шелка можно принять за птичий помет», - пишет Хиллиард.
Но человеку далеко до искусности самих пауков, если говорить про использование паутинного шелка. Древние греки, по догадкам ученых, использовали коконы в качестве бинтов, а рыбаки Новой Гвинеи сплетали паутину пауков-кругопрядов в сети. В швейной промышленности использовались более слабые нити тутовых шелкопрядов. Бон объяснил это предрассудками человечества насчет «омерзительных насекомых», но правильнее было бы сказать, что пауков оказалось сложно приручить.
Бон замечает, что «разведение молодых пауков в комнате всегда заканчивалось одинаково: они вели себя враждебно и, в конце концов, съедали друг друга». Что досадно, ведь паутинный шелк - чудесный материал. Известный своей прочностью, он может быть крепче стали и более устойчив к разрыву, чем кевлар i Кевлар Прочная ткань из армидового волокна .
Человек может без труда пройти через паучью сеть лишь потому, что каждая нить имеет диаметр в 0,003 миллиметра. Если бы диаметр достигал целого миллиметра, то, по всей видимости, такая паутина смогла бы поймать вертолет так же эффективно, как она сейчас ловит мух.
Паутинный шелк обладает исключительной эластичностью и легкостью. Некоторые шелка могут вытягиваться в пять раз от своей изначальной длины, прежде чем порвутся, а нить достаточно длинная, чтобы окружить Землю, весила бы не больше фунта. Пауки - способные химики, которые часто наделяют свои шелка влагоотводящими и противогрибковыми свойствами.
Привлеченные такой перспективой, некоторые предприимчивые любители шелка попытались пойти по стопам Бона - и все до единого наткнулись на проблему масштаба. Анатом времен гражданской войны, Берт Грин Уайлдер, известный тем, что он первым стал использовать в печати термин «нейрон» (а также коллекционированим мозга в банках), заявил, что смог получить 150 ярдов золотой нити, сплетенных большим пауком-шелкопрядом, во время службы в Фолли-Айленд в Южной Калифорнии.
Воодушевившись, Уайлдер начал разрабатывать машину для изъятия шелка, которая напоминала крохотные средневековые колодки: подвешенная деревянная доска закрепляла голову и лапы паука с одной стороны и брюшко с другой, а ручная катушка извлекала шелк. Это было хитроумное изобретение, но Уайлдер позже признал, что для того, чтобы сшить одно платье, потребуется шелк с пяти тысяч пауков. Прошло сто лет, но наука так и не продвинулась в этой области. В 1982 исследователи из Северокалифорнийского Университета публиковали журналы, описывавшие «аппарат и технику для принудительного изъятия шелка из пауков» -фактически улучшенную версию устройства Уайлдера, в которой можно было разместить дюжины арахнидов.
Полотно из золотой нити. Источник: Ecouterre .
Затем в 90-х наступила революция в генетике, а вместе с ней и возможность наделить менее агрессивные виды ДНК для производства паутинного шелка. Больше не требовалась ферма шелкопрядов; подходили генетически модифицированные кишечная палочка, дрожжи, ростки табака и даже козлы. Остатки стада BioSteel-козлов, профинансированных Министерством обороны, сейчас находятся в Университете Юты, так как компания, разводившая их для производства паутинного шелка, объявила себя банкротом.
Проблема была в том, что даже после вычеркивания живых пауков из уравнения процесс оставался, как говорил Дэн Видмайер, генеральный директор и соучредитель Bolt Threads, «трудоемким». Компания решила производить шелк при помощи пивных дрожжей, получившихся в результате брожения в емкостях из нержавеющей стали с водой и сахаром. Генетическое секвенирование, отвечающее за производство, задействовало две из четырех молекул, составляющих ДНК, и это означало, что процесс был повторяющийся,и его было легко нарушить. Экспериментировать с последовательностями с целью заставить дрожжи выделять разные виды белка шелка было сложно.
Видмайер подсчитал, что Bolt проработала с четырьмя тысячами формул с момента основания в 2009 году. «Затем, когда вы закончили брожение и у вас появился этот прекрасный белок, встает проблема извлечения его в высоком качестве, чтобы затем задействовать белок в качестве сырья для пряжи», - рассказывает он. Другими словами, дрожжи должны были выйти совершенно определенные - чтобы они смогли выделять шелк, иначе Видмайеру и его коллегам пришлось бы собирать отдельные клетки.
Когда белки шелка отделялись от насыщенной сахаром и дрожжами воды в бродильных емкостях, они проходили очистку и превращались в порошок. «Смесь напоминала один из протеиновых напитков», - заметил Видмайер. В порошок затем добавляли раствор, пока он не становился таким же вязким, как резиновый клей; получившаяся масса называется прядильным раствором, и ее можно продавить через фильер, чтобы получить волокна.
В природе паук использует механизм «тяни-толкай», чтобы превратить свой прядильный раствор в нить: внезапное понижение кровяного давления заставляет вязкий белок шелка выйти из отверстий на брюшной полости, затем паук собирает капли в пряди при помощи лап и веса.
«Многие рутинные и затянутые процессы во время пряжи могут пойти не так», - сказал Видмайер. Любые поправки, которые влияют на очистку белка, вязкость, кислотность и температуру, могут превратить прядильный раствор в липкую массу, из которой получатся капельки, а не нити. Поэтому Видмайер гордится, что его компании удалось произвести 50 галстуков, в каждом из которых есть 90 километров каркасной паутинной нити.
Давайте помечтаем о невесомой вязаной кофточке, прочной как бронежилет . Как вы думаете из какого волокна можно ее создать? Ни за что не угадаете! Такая кофточка будет связана из пряжи, созданной из паутины !
Пауки плетут паутину для ловчих сетей и уютной норки. Молодые паучки отправляются на паутинке на приключения в дальние дали. А люди в течение столетий пытаются научиться использовать паутину для своих нужд.
Древние китайцы создавали из паутины шелк, Король-Солнце обладал связанными из паучьего шелка чулками и перчатками, французский натуралист д"Орбиньи щеголял в панталонах из паутины.
Прочнее стали, легкая и эластичная, паутина состоит из белковых молекул. Паутина может, не разрываясь, растягиваться на 40% своей длины и настолько легкая, что полкило паутины с лихвой хватит, чтобы обернуть вокруг Земного Шара.
Доказано, что паутина так же обладает антисептическими свойствами и способствует заживлению ран. Крупные пауки рода Нефила знамениты тем, что прядут огромные сети диаметром до 8 метров, которые рыбаки островов Полинезии используют для ловли рыбы. На фотографиях вы как раз видите этих пауков и их сети.
Так почему же пряжа с такими потрясающими свойствами не заполнила полки магазинов? Из-за своей хищной сущности пауков очень трудно разводить в неволе, если вы соберетесь завести паучью ферму, возможно через некоторое время ваши питомцы просто съедят друг друга. Однако, несмотря на трудности, есть смельчаки, создающие паучьи фермы , и японские ученые обещают в скором времени выпустить продукцию, созданную из паутины.
И все-таки, несмотря на все трудности и цену работы, готовые вещи из паучьего шелка существуют. Посмотрите на мантию, которую представили всем желающих на выставке в Лондоне Саймон Пирс и Николас Гудли.
На данный момент это самое крупное изделие из паучьего шелка в мире, а работали мастера над ее созданием более четырех лет. Для этого потребовалось собрать паутину более миллиона паучих.
Китайцы первыми начали опыты по производству ткани из паутины. И преуспели в этом. Свою исключительно прочную и носкую ткань из паутины они назвали тонг‑хай‑туан‑тсе, нам она более известна под названием «сатин восточного моря».
Но независимо от китайцев и в головы европейцев приходила такая светлая мысль, как изготовление ткани из паутины.
Сохранились исторические записи, что в марте 1665 года луга и заборы вблизи саксонского городка Мерзебурга покрылись великим множеством паутины неведомых пауков и из нее женщины окрестных селений понаделали себе лент и разных украшений. Немного погодя люди научились ткать из паутины ткань - невероятно тонкую и очень дорогую. Только для VIP-персон. Однажды парламент города Монпелье преподнес королю Франции Людовику XIV тончайшие чулки и перчатки , тканные из шелковистых нитей французских пауков.
Такого же изысканного дара удостоилась и законодательница мод в тогдашней Франции, сама Жозефина Богарне - возлюбленная Наполеона.
Возможно, на картине Гийома Летьера царственная Жозефина сминает в руке именно перчатки из паучьего шелка?
Почти столетием позже знаменитый французский натуралист Орбиньи щеголял в панталонах из паутины бразильских пауков. Он носил их долго, а они не снашивались. В них Орбиньи пришел на заседание французской Академии наук. Но французскую Академию панталоны из паутины не удивили: она уже такие диковинки видела и обсуждала даже вопрос о том, стоит ли рекомендовать ткацкой промышленности паутину как пряжу для шелковых полотен.
Академия избрала комиссию, которой поручила подробно изучить реальность и рентабельность паучьего шелководства и шелкопрядения. Реомюр, член этой комиссии, нашел паутину вполне пригодным сырьем для промышленного производства, но решил, что местные, французские, пауки не плетут нитей нужной длины. Он подсчитал (очень скрупулезно), что надобно обработать 522-663 паука, чтобы получить один фунт паутинного шелка. А для промышленного производства потребуются полчища пауков и тучи мух для их пропитания - больше, чем летает их над всей Францией. «Однако, - писал Реомюр, - может быть, со временем удастся найти пауков, которые дают больше шелка, чем те, какие обычно встречаются в нашем государстве».
Пауков таких вскоре и в самом деле нашли в девственных лесах Мадагаскара. Путешественники рассказывали, что одна паучиха за месяц без труда вытягивает из себя три‑четыре километра тончайших нитей. Нить так тонка, что практически невидима, но невероятно прочна - пробковый шлем на ней повиснет и она не рвется; птицы в ней запутываются и гибнут не в силах разорвать тонкую нить!
Этих удивительных пауков назвали нефилами. Природа не поскупилась ни на краски, ни на таланты, необходимые ткачам, и щедро наделила ими нефил. Золотой отблеск нитей дал этим паукам еще одно неофициальное название – пауки-золотопряды.
Уже в наши дни проверили экспериментально прочность паутины нефил. Нить толщиной в одну десятую миллиметра выдерживает 80 граммов (нить шелковичного червя - лишь 4‑15 граммов). Она так эластична, что вытягивается почти на четверть своей длины и не рвется. Ткань из паутины нефилы золотистого цвета удивительно воздушная и легкая; при той же прочности она много тоньше нити шелкопряда, а при той же толщине - много прочнее. Паутину для пряжи собирают из тенет нефил или разматывают их яйцевые коконы. Но лучше тянуть ее прямо из паука, которого сажают в коробочку - из нее торчит лишь кончик его брюшка с паутинными бородавками. Из бородавок вытягивают эластичные нити так же, как разматывают кокон. Таким способом из одного паука можно получить за месяц около четырех тысяч (4000!) метров шелковой нити. Для сравнения - нить, распутанная из кокона шелкопряда, в зависимости от его породы бывает длиной от трехсот до пятисот метров.
Самым изобретательным экспериментатором оказался некий аббат Камбуэ. Исследуя шелкопрядные возможности мадагаскарского паука галаба, этот изобретательный человек сумел так усовершенствовать свое дело, что живых пауков в маленьких выдвижных ящичках «подключал» прямо к ткацкому станку особого образца. Станок тянул из пауков нити и тут же ткал из них тончайший шелк.
Если собрать большое количество этого паучьего «золота», и сделать из него шелковые нити, то можно соткать уникальнейшее полотно натурального золотого цвета. И это именно то, чем занимались последние три года дизайнеры Саймон Пирс (Simon Peers) и Николас Годли (Nicholas Godley).
Их студия расположена в Антананариву, столице Мадагаскара. Взяв себе в помощь около 80 местных умельцев, они соткали и сшили из «золотого» паучьего шелка модное платье-накидку, на сегодняшний день - самое большое изделие из этого уникального природного материала. Три года (по некоторым данным пять лет), сотни тысяч пауков-кругопрядов и много метров бесценной паутины понадобилось инициативной группе, чтобы осуществить свой творческий проект. Результат же превзошел все ожидания.
Заранее отмечу, что пауков никто не истязал и не мучил, их собирали специально обученные люди и помещали в условия, приближенные к естественным. Поскольку паук за сезон может дать ограниченное количество золотой паутины, их отпускали на волю сразу же, как только сезон подходил к концу, принимая новую партию золотопрядов. Кстати, самки золотопряда - крайне агрессивные барышни, хоть и не ядовитые. Они могут нападать друг на дружку, а то и поедать себе подобных, так что время от времени помощники дизайнеров, ответственные за содержание золотоносных насекомых, недосчитывались своих подопечных, но таков уж естественный отбор, непредсказуемый и жестокий.
Собрав необходимое количество золотой пряжи, ее скручивали в нити, следуя специально разработанной технике, а затем ткали полотно, также придерживаясь рекомендаций, сохранившихся с XIX века, когда из паучьего шелка ткали наряды членам королевских фамилий, правителей Мадагаскарских провинций.
Благодаря тончайшей и легчайшей шелковой нити, созданной пауками, вес полотна составил чуть больше килограмма. Ткань расшили символическим узором паучьей тематики, а готовое платье-накидку, сшитое из этой драгоценной ткани, можно видеть в лондонском музее Виктории и Альберта. Несмотря на то что один квадратный метр ткани из паучьего "золота" оценивают в 500 тыс. долларов, уникальный наряд продаже не подлежит.