Угрожающе плавный спуск пауков объяснили молекулярной структурой паутины

Физики из Великобритании и Китая объяснили, почему пауки, спускаясь на нити из паутины, не крутятся беспорядочно. Это оказалось связано с необычными механическими свойствами последней — при скручивании паутины, в отличие от нитей из металла, быстро возникает необратимая деформация. Таким образом, поворот паука даже на несколько десятков градусов практически не вызывает упругих сил, возвращающих его в исходное положение. Исследование опубликовано в журнале Applied Physics Letters, кратко о нем сообщает Physics Today.

Паутина — сложный композитный материал белкового происхождения. Отдельные молекулы белков-спидроинов могут формировать упорядоченные конструкции из нитей (бета-листы), связанные между собой гибкими связями. Сложная структура паутины приводит к возникновению у нее необычных механических свойств. Например, она обладает очень высокой прочностью на разрыв — предел прочности сопоставим с таковым у стали или превосходит его. Кроме того нити паутины способны поддерживать натяжение даже при сближении их концов — за счет сматывания нити в каплях клейкой жидкости на ней. А недавно физики обнаружили, что в паутине есть гиперзвуковая фононная запрещенная зона.

Авторы новой работы исследовали способность нитей паутины сопротивляться скручиванию. Если подвесить предмет на металлической нити, то даже из-за небольшого толчка он начнет покачиваться с большой амплитудой.Это связано с упругими силами, которые действуют со стороны металлической нити и пытаются вернуть ее в равновесие (ситуацию, когда угол скручивания равен нулю). В то же время, как заметили ученые, пауки при спуске на нити не выглядят так, словно они бесконтрольно вращаются. Хотя для того, чтобы закрутить паутину, достаточно движения воздуха.

Чтобы выяснить причины этого, ученые поставили ряд экспериментов с крутильными маятниками. К нити из исследуемого материала они подвешивали груз и, после того как груз оказывался в равновесии, поворачивали его на известный угол. Затем с помощью камеры авторы фиксировали колебания весов. Обычные материалы (металлическая, углеродная нить и волос) колебались вокруг исходного равновесного положения даже при углах скручивания в 250 градусов. Паутина же необратимо деформировалась уже при повороте на 20 градусов и колебалась вокруг смещенного положения равновесия — это сильно гасило амплитуду колебаний, рассеивая более 75 процентов энергии деформации. 

Физики связывают этот эффект с молекулярной структурой паутины. По словам авторов, когда паутина скручивается, упругая деформация происходит только в упорядоченных областях бета-листов, в то время как аморфные области (цепи, связывающие бета-листы) деформируются не упруго. Именно изменение геометрии последних рассеивает энергию деформации и подавляет колебания. Упорядоченные области отвечают за поддержание формы нитей. 

Искусственные аналоги паутины с подобными свойствами могут найти применение как в качестве веревок для спасательных работ и веревочных лестниц, так и, например, при изготовлении скрипичных струн. 

Ранее биоинженеры из США разработали «молекулярный динамометр» на основе белков паутины. В зависимости от того, насколько сильно он деформирован, меняется характерное свечение флуоресцентных маркеров, входящих в его состав. Молекулу можно использовать для измерения механического натяжения в живой клетке.

Владимир Королёв

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.