Загрозливо плавний спуск павуків пояснили молекулярною структурою павутини

Фізики з Великобританії і Китаю пояснили, чому павуки, спускаючись на нитки з павутини, не крутяться безладно. Це виявилося пов'язано з незвичайними механічними властивостями останньої - при скручуванні павутини, на відміну від ниток з металу, швидко виникає незворотна деформація. Таким чином, поворот павука навіть на кілька десятків градусів практично не викликає упругих сил, що повертають його у вихідне положення. Дослідження опубліковано в журналі, коротко про нього повідомляє.

Павутина - складний композитний матеріал білкового походження. Окремі молекули білків-спідроїнів можуть формувати впорядковані конструкції з ниток (бета-листи), пов'язані між собою гнучкими зв'язками. Складна структура павутини призводить до виникнення у неї незвичайних механічних властивостей. Наприклад, вона має дуже високу міцність на розрив - межу міцності можна порівняти з таким у сталі або перевершувати його. Крім того нитки павутини здатні підтримувати натягнення навіть при зближенні їх кінців - за рахунок змотування нитки в краплях клейкої рідини на ній. А нещодавно фізики виявили, що в павутині є гіперзвукова фононна заборонена зона.

Автори нової роботи досліджували здатність ниток павутини чинити опір скручуванню. Якщо підвісити предмет на металевій нитці, то навіть через невеликий поштовх він почне погойдуватися з великою амплітудою. Це пов'язано з пружними силами, які діють з боку металевої нитки і намагаються повернути її в рівновагу (ситуацію, коли кут скручування дорівнює нулю). Водночас, як зауважили вчені, павуки при спуску на нитки не виглядають так, наче вони безконтрольно обертаються. Хоча для того, щоб закрутити павутину, достатньо руху повітря.

Щоб з'ясувати причини цього, вчені поставили ряд експериментів з крутильними маятниками. До нитки з досліджуваного матеріалу вони підвішували вантаж і, після того як вантаж опинявся в рівновазі, повертали його на відомий кут. Потім за допомогою камери автори фіксували коливання терезів. Звичайні матеріали (металева, вуглецева нитка і волосся) коливалися навколо вихідного рівноважного положення навіть при кутах скручування в 250 градусів. Павутиння ж незворотно деформувалася вже при повороті на 20 градусів і коливалася навколо зміщеного положення рівноваги - це сильно гасило амплітуду коливань, розсіюючи понад 75 відсотків енергії деформації.

Фізики пов'язують цей ефект з молекулярною структурою павутини. За словами авторів, коли павутина скручується, пружна деформація відбувається тільки в упорядкованих областях бета-листів, тоді як аморфні області (ланцюги, що зв'язують бета-листи) деформуються не впруго. Саме зміна геометрії останніх розсіює енергію деформації і пригнічує коливання. Впорядковані області відповідають за підтримку форми ниток.

Штучні аналоги павутини з подібними властивостями можуть знайти застосування як в якості мотузок для рятувальних робіт і мотузкових сходів, так і, наприклад, при виготовленні скрипкових струн.

Раніше біоінженери з США розробили «молекулярний динамометр» на основі білків павутини. Залежно від того, наскільки сильно він деформований, змінюється характерне світіння флуоресцентних маркерів, що входять до його складу. Молекулу можна використовувати для вимірювання механічного натягнення в живій клітині.