Нити, которые плетут пауки и те, которые выходят «из-под пера» тутовых шелкопрядов, почти идентичны по своему химическому составу и микроструктуре. Однако паутина оказывается на порядки прочнее — и лишь недавно выяснилось, почему.
Шелк и паутина: Тонкая разница
Незаметные на первый взгляд различия в структурах шелка (вверху) и паутины (внизу) приводят к существенной разнице в свойствах

«Если представить себе нить паутины толщиной с шариковую ручку, — говорит Сян У (Xiang Wu) из Национального Университета Сингапура, — прочности ее будет достаточно для того, чтобы остановить в полете огромный аэробус Boeing 747». Шелковой нити до такой прочности куда как далеко. Откуда же берется эта разница, ведь структурно и та, и другая практически идентичны?

Сян и его соавторы провели довольно интересное исследование, в рамках которого были созданы сложные компьютерные модели, симулирующие структуру и поведение и шелка, и паутины. И та, и другая являются полипептидами — полимерными цепями аминокислот, среди которых особенно часто встречаются простейшие — глицин и аланин. Однако множество проведенных ранее работ, в ходе которых ученые с помощью различных техник микроскопии и визуализации изучали структуру обоих материалов, показали, что последовательности, в которой чередуются у них эти аминокислоты, незначительно различаются. Впрочем, само по себе это различие объяснить разницу в свойствах неспособно.

Зато — как показало компьютерное моделирование сингапурской группы — секрет таится в том, как именно отдельные цепи полипептидов организованы в более крупные структуры. Вместе отдельные цепи аминокислот могут складываться в различные по форме и характеру образования — например, в гибкие альфа-спирали, которые встречаются у великого множества белков, или плоские бета-листы. Сян У и его коллеги показали, что в случае паутины и шелка разница заключается в том, как организуются полипептиды в альфа-спирали бета-слои и бета-кристаллические структуры (beta crystallites).

У нитей шелка отдельные бета-листы соединяются между собой альфа-спиралями, что делает структуру в целом весьма гибкой и прочной. У паутины же альфа-спирали перемежаются «твердыми» бета-кристаллическими структурами, что в разы увеличивает прочность структуры.

Это исследование интересно и с другой стороны: оно показывает, что современные технологии моделирования все более приближают давнюю мечту химиков — мечту о том, чтобы устанавливать свойства сложных органических соединений, исходя из знаний об их составе и структуре. В итоге, прежде чем синтезировать материалы с новыми удивительными свойствами, их можно будет полностью «просчитать» на компьютере. Летчикам «Боингов» стоит приготовиться!

Ну а пока же для этой цели приходится применять весьма хитроумные подходы. Достаточно вспомнить, как ученым пришлось скомбинировать гены водорослей и пауков, чтобы получить сверхпрочную ткань: «Стеклянная паутина».

По информации the physics arXiv blog