Сергей (22sobaki) wrote in engineering_ru,
Сергей
22sobaki
engineering_ru

Тонкости строительства паутины

Инженерное из мира природы.

victor_chapaev переводит книгу Докинза "Восхождение на пик невероятности":

Очень важно для паука со своей сетью сделать так, чтобы жертва, попав в паутину, уже не могла оттуда выбраться. Здесь есть две опасности. Насекомое может легко порвать сеть и вылететь наружу. Эту проблему можно решить, сделав шелк эластичным, но это усугубит вторую из этих проблем: насекомое теперь будет отскакивать от паутины, как от батута. Идеальный шелк – волокно, о котором химики-исследователи могут только мечтать – должно легко растягиваться, чтобы поглотить энергию быстролетящего насекомого, однако, в то же время, чтобы избежать эффекта батута, быть мягким буфером против отскока. По крайней мере, несколько сортов паучьего шелка как раз обладают комбинацией этих свойств благодаря чрезвычайной сложности структуры самой шелковой нити. Как объясняют профессор Фриц Волрат и его коллеги из Оксфорда, шелковая нить – показана в увеличенном виде на рисунках 2.2 и 2.3 – на самом деле гораздо длиннее, чем кажется, потому что большая часть ее длины свернута внутри жидких бусин. Она похожа на ожерелье, в бусинках которого содержится скрученный избыток нити. Механизм этого скручивания до конца не понят, но сомневаться в результате не приходится. Нить паутины способна растягиваться примерно раз в десять относительно исходного размера, и она создает достаточно медленный отскок, достаточный, чтобы не дать жертве вылететь обратно из паутины.


Рис. 2.2. Бусины вдоль шелковой нити паучьей сети.
Рис. 2.3. Одна бусина со скрученной нитью внутри, действующей как «лебедка», (увеличено)

Следующее свойство, которое должен иметь этот шелк, для того чтобы не дать жертве ускользнуть, это ее клейкость.Вещество, которое покрывает шелковую нить и позволяет ей храниться в свернутом виде, о чем мы уже говорили, не является просто водой. Оно еще и клейкое. Одно касание, и насекомое уже не может вырваться.

Но теперь клейкие нити создают новую, несколько смешную, проблему. Будучи покрытой клеем, или взбитой как войлок, нить, достаточно липкая, чтобы связать ноги насекомому-жертве, делает достаточно мудреным делом хождение по ней самой паучихи! Хотя у нее и нет волшебного иммунитета, эволюция предоставила набор частичных способов не наносить вред самой себе. Ноги пауков-самок, использующих клей, смазаны специальным маслом, которое дает некоторую защиту от приклеивания. Это можно продемонстрировать, опустив паучьи ноги в эфир, который смывает масляную оболочку, и вместе с ней защиту от прилипания. Другое частичное решение, с помощью которого пауки приспособились ходить по паутине, это сделать не липкими часть нитей, обычно это радиальные нити, идущие от центра паутины во все стороны. Сама паучиха бегает только по этим радиальным спицам, для этого у нее приспособлены ноги – они оканчиваются маленькими клешнями, чтобы выборочно захватывать одну нить. Она сторонится липких спиралей, которые вьются круг за кругом на вершину конструкции, построенной паучихой. Это легко сделать, так как она обычно сидит в центре своей круглой сети, и кратчайший пути к любой точке паутины будет проходить по какой-нибудь радиальной спице.

Теперь давайте обратимся к группе проблем, с которыми сталкивается паук, когда строит свою паутину. Не все пауки одинаковы и там, где это имеет значение, я буду брать широко известного садового паука Araneus diadematus как типового представителя. Нашей, как настоящих пауков, первой проблемой будет как проложить первую нить через пустое пространство, скажем, между деревом и камнем, между которыми мы решили укрепить паутину.

Когда эта первая, жизненно важная нить будет перекинута через пространство, паук сможет использовать ее как мост. Но как построить этот первый мост? Пешеход поступил бы так – спустился бы вниз, прошел бы между двумя точками по земле и затем поднялся бы снова наверх, таща за собой нить. Так иногда пауки и поступают, но неужели нет более изящного решения этой проблемы? Давайте попробуем запустить змея. Возможно, мы как-нибудь сможем использовать свойства легкости и воздушности самого шелка? Да! Так паучиха и поступает, когда для этого хватает ветра. Она выпускает одиночную нить, освобождает ее конец и выравнивает этот воздушный парус, или, лучше сказать, воздушный змей. Его подхватывает ветер и несет в нужную сторону. Этот змей покрыт клеем и когда ему посчастливится задеть твердую поверхность на другой стороне пропасти, он крепко прилипает. Если змею не удается коснуться поверхности, паучиха втягивает его назад и подвергает драгоценный шелк повторной переработке – съедает его и пробует еще раз запустить нового змея. Рано или поздно пригодный мост удается перебросить через зазор и паучиха закрепляет собственный конец моста, приклеивая его на своей стороне. Мост готов к движению по нему!

Маловероятно, что этот первый мост будет хорошо натянут, так как длина нити не подбирается точно по ширине пространства. Теперь паучиха должна либо укоротить ее, сделав из нее одну сторону сети, либо вытянуть ее в виде буквы V, чтобы сделать две основные спицы круглой паутины. Проблема здесь в том, что, хотя она и может быть вытянута в виде буквы V, вряд ли эта V будет достаточной длины, чтобы получились две спицы нужной длины. Паучиха так решает эту проблему – она не меняет длину первого мостика, а использует его как вспомогательную нить, заменяя ее впоследствии на нить нужной длины. Вот как она это делает. Стоя на одном конце моста, она выделяет конец новой нити из задней части своего брюшка, и крепко присоединяет ее. Затем она перекусывает первый мостик, крепко держа его конец в лапах. Она движется поперек зазора, держась за остаток откушенного моста спереди и за ее новую нить, которую она выделяет из задней части брюшка. Она становится живой связкой для своего моста во время своего медленного движения вдоль него. Что же касается части первого моста, по которой она уже прошла, то она уже выполнила свою задачу, и она ее съедает. Этим удивительным способом, поедая свой старый мост по мере своего продвижения вперед и создавая новый позади себя, она перебирается с одной стороны зазора на другую. Более того, ее задняя часть выделяет новый шелк с большей скоростью, чем ее передняя часть поедает старый. Поэтому новый мост оказывается длиннее старого на строго контролируемую величину.

После того, как оба конца надежно закреплены, длина моста становится достаточной для изготовления двух главных спиц будущей сети.

Чтобы сделать это, она возвращается на середину нового моста и своим весом придает ему форму той самой буквы V. Две половинки этой буквы как раз подходят, чтобы образовать первые два главных радиуса будущей паутины. Как же строить следующую спицу? Ясно, что было бы хорошо опустить перпендикуляр вниз из точки соединения половинок буквы V для того, чтобы закрепить центр будущей паутины так, чтобы он оставался на месте, даже когда паучиха не будет действовать на него своим весом. Паучиха прикрепляет новую нить к центру буквы V и скатывается вниз наподобие отвеса, на землю или на другую подходящую поверхность, где она и крепит второй конец вертикальной нити. Теперь три главные спицы сети готовы, и сеть выглядит как буква Y.

Следующие две задачи это провести из центра оставшиеся радиальные спицы и создать внешние обводы будущей сети. Паучиха изобретательно справляется с выполнением их обоих одновременно, используя потрясающе хитрый способ работы двойной и даже тройной нитью, которые позже растягиваются в стороны по мере того, как паучиха ходит вдоль уже готовых спиц. В первоначальном черновике этой главы я подробно описывал, как плетется эта головоломка, но при этом я чуть не сломал себе голову. А когда один из моих редакторов пожаловался на сильнейшее головокружение при чтении этого места, я неохотно позволил себя уговорить, и убрал его из книги. В результате этого этапа паучьей работы появляется полное колесо с двадцатью пятью или тридцатью спицами (количество меняется от одного вида пауков к другим, а также зависит от индивидуальных отличий особей), и основной скелет будущей сети готов.


Но пока эта ловчая сеть похожа на велосипедное колесо – в ней слишком много пустого места и мухи могут спокойно пролетать через нее. Даже если пролетающая муха заденет какую-нибудь нить, с ней ничего не случится, потому что они не клейкие. Сейчас надо пропустить множество нитей через зазоры между радиальными спицами. Вставить их можно многими способами. Ну, например, паучиха может работать с каждым зазором между спицами по очереди, двигаясь зигзагом от одной спицы к другой прокладывая путь от ступицы колеса к ободу, потом возвращаться и начинать заполнять следующий зазор, и так далее. Но это потребует частой смены направления движения, а смена направления приведет к пустой растрате сил и времени. Есть способ лучше – двигаться вокруг сети по спирали, и именно это пауки чаще всего и проделывают, хотя иногда они могут случайно повернуть и начать двигаться в обратную сторону.

Но как бы паук не двигался, зигзагом или по спирали, есть еще проблема. Укладка клейкой нити, которая, в сущности, и выполняет задачу ловли насекомых, есть работа очень тонкая. Расстояния между нитями должны быть всегда правильными. Точки соединения их с радиальными спицами должны быть искусно выверены так, чтобы они не спутались в уродливом беспорядке, и не образовалось бы слишком много дыр, через которые жертвы могли бы удрать. Если паучиха попробует добиться такого точного расположения, балансируя на пустых спицах, то ее собственный вес, скорее всего, заставит их отклониться от правильного положения, и липкая спиральная нить будет присоединена в неправильном месте и с неправильным натяжением. Более того, вблизи внешнего обода сети зазор между спицами часто становится слишком большим, чтобы паук мог перешагнуть его. Обе эти сложности можно уменьшить, если начать спираль от центра и двигаться к краю. Вблизи центра зазоры узкие и поддерживающие друг друга спицы менее склонны поддаваться весу паучихи. По мере вашего движения наружу зазоры между спицами неизбежно увеличиваются, но это уже не беда: когда вы собираетесь начать укладывать новый виток спирали, предыдущий, внутренний виток служит поддерживающим мостиком через расширяющийся зазор. Но беда тут в том, что нить этого типа, которая хороша для ловли насекомых, очень тонкая и эластичная. Она не даст хорошей поддержки. Когда все спиральные нити будут уложены, сеть станет достаточно прочной, но во время процесса строительства мы должны признать ее неполной, и поэтому непрочной.

Укладка тонкой ловчей спирали является основная проблемой, но есть и другие. Вспомним, что хотя радиальные спицы не липкие и относительно дружелюбно настроены к паучьим лапам, мы сейчас готовимся обсуждать липкий шелк, который специально предназначен улавливать жертву. Мы уже видели, что у пауков нет полной защиты от прилипания к их собственным сетям. Да даже если бы и была, использование каждого витка спирали для поддержки при строительстве следующего витка украло бы часть его драгоценной липкости. Поэтому, несмотря на то, что строительство липкой спирали от центра к ободу, каждый раз шагая по уже уложенным нитям, кажется хорошей идеей, такое решение и в буквальном и в переносном смысле является ловушкой.

Паучихе эти трудности по плечу. Ее решение совпадает с таковым от современных строителей – это временные леса!

Она таки строит спираль от центра к ободу. Но это не окончательная – липкая и воздушная – ловчая спираль. Это специальная «вспомогательная» спираль, которую она использует только для того, чтобы потом было удобно строить настоящую липкую сеть. Вспомогательная спираль не липкая, и круги ее расположены значительно шире, чем у настоящей. Она не сможет поймать насекомое. Но она намного крепче ловчей липкой спирали. Она придает жесткость и поддерживает паутину, и дает паучихе надежную связь между радиальными спицами, когда она наконец соберется строить настоящую, липкую спираль. Вспомогательная спираль делает только семь или восемь оборотов на пути от центра к краю сети. Закончив ее, паучиха выключает железы, производящие нелипкий шелк, и расчехляет свои тяжелые орудия – железы, которые специализируются на смертельном липком шелке. Она разворачивается и повторяет свой путь в обратном направлении – от края к середине – делая спирали более плотными и равномерно расположенными, чем на прямом пути от центра к краю. Она пользуется временной, вспомогательной спиралью не только как поддерживающими строительными лесами, но и как указателем направления. И по мере своего продвижения она откусывает вспомогательную спираль кусок за куском, когда они уже становятся не нужны. Когда она пересекает каждую спицу, то крепит к ней новую тонкую клейкую нить, создавая элегантный узелки, напоминающий узелки в рыбацкой сети. Между прочим, шелк не тратится зря на временные леса, потому что часть его остается прикрепленным к спицам, скрепляя их остатки там, где они были случайно съедены паучихой. Она не съедает вспомогательный шелк сразу, вероятно потому, что разбирать каждый фрагмент сети приведет к пустой трате времени.

Когда паучиха добирается до центра сети в ее нисходящем спиральном путешествии, ловчая сеть уже почти совсем готова. Осталось только провести регулировку ее натяженности – а это искусная, точная работа, вроде настройки струнного инструмента. Она сидит в центре сети и легонько трогает ее лапами, чтобы ощутить натяженность, если необходимо, слегка удлиняя или укорачивая нити, потом поворачивается и повторяет то же самое для другого угла.

С сокращениями.
Картинки отсюда
.
Tags: биотехнологии, строительство
Subscribe
promo engineering_ru april 30, 2014 15:00 70
Buy for 200 tokens
Originally posted by zilm at Как будут ремонтировать автомобили с углепластиковым кузовом? Когда инженеры BMW создавали свои подзаряжаемые автомобили, они столкнулись с необходимостью снижения веса. Аккумуляторы делают электромобиль или плагин-гибрид тяжелее аналога с ДВС, а…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 54 comments