Курсовая работа: Особливості біології та екології павука-хрестовика (Araneus diadematus)
Самець із заповненими спермою копулятивними органими відправляється на пошуки самиці, проходячи іноді значні відстані. При цьому він керується головним чином нюхом. Він розрізняє пахучий слід від статевозрілої самки на субстраті і її павутині. Зір у більшості випадків не грає істотної ролі: самці із замазаними очами легко знаходять самок. Виявивши самку, самець починає «залицяння». Майже завжди збудження самця проявляється в тих або інших характерних рухах. Самець посмикує кігтиками нитки павутини самки. Остання помічає ці сигнали й нерідко кидається на самця як на здобич, обертаючи його у втечу. Наполегливі «залицяння», що тривають іноді дуже довго, роблять самку менш агресивною і схильною до спарювання. Складна поведінка самця спрямована на подолання хижацьких інстинктів самки: самець за поведінкою різко відрізняється від звичайної здобичі.
Самка, введена поведінкою самця у стан готовності до спарювання, зазвичай направляється назустріч йому, роблячи удари передніми ногами й інші рухи. При спарюванні самець вводить емболюси педипальп у канали сім’яприймачів самки почерзі, причому сперма впорскується тиском гемолімфи.
Яйця у павуків-хрестовиків відкладаються через кілька днів або тижнів після спарювання. Запліднення відбувається в матці, з якою з’єднуються сім’яприймачі. Кладка поміщається в кокон, зроблений з павутини. Зазвичай самка хрестовика перетворює своє лігвище в гніздо, у якому відкладаються яйця та плететься кокон. Як правило, кокон складається із двох павутинних пластинок, скріплених краями. Спочатку самка плете основну пластинку, на яку кладе яйця, а потім заплітає іншою пластинкою, що криє. Такі кокони прикріплюються до субстрату або стінки гнізда. Стінки кокона інколи просочуються секретом, виділюваним через рот, імпрегніруються часточками грунту, рослинними залишками. У павуків-хрестовиків кокон кулястий, його тканина пухка й пухната, що нагадує ніжну вату. Число яєць буває близько кількох сотень. Розміри кокона звичайно 1-2 см.
Турбота про потомство дуже поширена у хрестовиків і найчастіше виражається в охороні кокона.
Вилуплення молоді з яєць однієї кладки відбувається більш-менш одночасно. Перед вилупленням зародок покривається тонкою кутикулою; на кінчиках педипальп утворюються шипики – «яйцеві зуби», за допомогою яких розриваються яйцеві оболонки. Павук, що вилупився, має тонкі покриви, нерозчленовані придатки, нерухомий і не може активно харчуватися. Він живе за рахунок жовтка, що залишається у шлунку. В цей жовтковий період розвитку молодь залишається в коконі й линяє (кілька разів). У хрестовиків перше линяння відбувається ще в яйці, так що линькова шкірка скидається разом з яйцевими оболонками при вилупленні. Роблячись більш активними, павучки виходять з кокона, але звичайно якийсь час ще тримаються разом. Якщо доторкнутися до такого скупчення, у якому бувають десятки павучат, вони розсипаються по павутині гнізда, але потім знову збираються у щільний клубок.
Незабаром павучки розходяться і починають жити самостійно. Саме в цей час відбувається розселення молоді на павутинках по повітрю. Молоді павучки забираються на предмети, що піднімаються, і, піднявши кінець черевця, випускають павутинну нитку. При достатній довжині нитки, що підхоплюється током повітря, павучок залишає субстрат і летить на ній. Павуки можуть підніматися током повітря на значні висоти й переноситись на великі відстані.
Маленькі павучки, що розселилися, по будові й способу життя схожі на дорослих особин. Вони поселяються в характерні для свого виду місцях перебування і, як правило, із самого початку плетуть ловильні сітки, по конструкції типові для дорослих павуків-хрестовиків, тільки збільшуючи їх по мірі росту. Кількість линянь хрестовиків близько 10-13 разів. Самці, які менше самок, мають і меншу кількість линьок. У павуків-хрестовиків яйця зимують – а на весні з кокона виходить молодь. Статевозрілість досягається наприкінці літа, і після відкладки яєць дорослі павуки зазвичай гинуть. У цьому випадку нерідко спостерігається осінньо-зимова діапауза, розвиток яєць восени припиняється, незважаючи на те що в природі ще досить тепло, і відновлюється тільки наступною весною, після тривалого зимового охолодження яєць.
Е. Павутина
Нитки павутини утворені білком з молекулярною масою 30 тисяч Dalton, який полімеризується в молекулу, яка називається «фіброїн» з молекулярною масою 300 тисяч Dalton. Людське око здатне розрізняти об’єкти з діаметром 25 мкм на відстані 10 см. Середній діаметр нитки павука-кругопряда – близько 0,15 мм. Найтонша обмірювана нитка була лише 0,02 мм. Тому ми здатні бачити павутину тільки через відбиття ниткою сонячного світла. Але ця тонка нитка здатна зупинити бджолу, що летить на повній швидкості. Ця нитка не тільки дуже міцна, але також і дуже пружна. Нитка павука-хрестовика Araneus diadematus може бути розтягнута на 30-40%, перш ніж обірветься. Сталь може бути розтягнута тільки на 8%, а нейлон – десь на 20%. Нитка павука Stegodyphus sarasinorum через техніку переплетення може бути розтягнута на дожину в 20 разів більшу її первісної довжини. Завдяки цим властивостям шовк павука жорсткіший, ніж будь-які інші матеріали або метали, відомі нам. Міцність матеріалу вимірюється в одиницях, названих дерніер (один dernier дорівнює 1м на 9000 м). Нитка павука має міцність від 5 до 8. Це означає, що нитка із шовку павука зруйнується під власною вагою при її довжині 45-72 км. Для порівняння сталь має міцність приблизно рівну 3.
Вивчаючи нитки павуків, можна виділити дві групи: Cribellate й E-cribellate. Cribellate павуки прядуть тонку пухнасту павутину. Для цього в них є структури, подібні до гребінців, які розміщені на стегні або на гомілці четвертих пар ніг й орган крібеллюм, що робить додатковий шовк розташованого перед прядильними органами. Шовк витягається з крібеллюм і потім розчісується в шерстисту структуру. Розчесаний шовк складається з тисяч маленьких ниток, прикріплених до більш товстої. На нитках немає ніякого клею, але комаха застряє своїми волосками на тілі в шовку. Більш товсті нитки в павутині запобігають розриванню шовку, не даючи комасі вибратися. Шовк павуків – незвичайний матеріал. Одна з його особливостей – величезна міцність. Нитка товщиною з олівець здатна зупинити літак, що летить на повній швидкості. У павука є кілька залоз, розташованих у черевці, які виробляють павутинний шовк. Кожна залоза виробляє шовк для особливої мети. Відомі сім різних залоз. Але різні види павуків володіють тільки декількома із цих залоз, а не всіма відразу. Залози відомі як Glandula Ampulleceae – використовується для виробництва шовку ниток для переміщення. Glandula Pyriformes – для виробництва ниток для прикріплення. Glandula Aciniformes виробляє нитки для герметизації здобичі. Glandula Tubiliformes виробляє нитку для коконів. Glandula Coronatae використовується для виробництва липких ниток. У павука є три пари прядильних органів. Але є павуки тільки з однією парою або навіть чотирма парами прядильних органів. У кожного прядильного органа своя власна функція. У прядильних органах є маленькі трубки, які пов’язані із залозами. Число трубок варіює від 2 до 50 тисяч. Шовк, утворений білком, не розкладається грибками й бактеріями, подібно до інших білків. У шовку павука є три речовини, які сприяють його довговічності: піролідин, гідрофосфат калію і нітрат калію. Піролідин дуже гігроскопічний, його можна знайти в барвниках і рослинних отрутах. Ця речовини запобігає засиханню нитки. Піролідин також утримується в клеї ловчої сітки високій концентрації. Пірофосфат калію робить нитку кислотною і запобігає грибковому і бактеріальному росту. Низький рН викликає денатурацію білків (робить їх нерозчинними). Це явище можна спостерігати в кислому молоці. Нітрат калію запобігає росту бактерій і грибків. Сітка є «візитною карткою» павука, бо у кожного виду вона відрізняється за будовою. У павука-хрестовика Araneus diadematus ловча сітка складається з багатокутної рами, радіальних та спіральних ниток. Рама та радіальні нитки утворені сухою і міцною павутиною. Між радіальними нитками закріплена довга спіральна нитка, утворена з особливої клейкої павутини. До неї прилипають комахи, що потрапили до сітки. Сам павук, чекаючи на здобич, може ховатись у гнізді, яке розташоване поруч (це можуть бути листки рослин, скручені у трубочку за допомогою павутини).Можна виділити кілька форм і способів застосування ловчої сітки: плоска, кругова сітка, кокони, сітка в якості будинку, сітка як укриття.
Найбільш відома форма – кругова сітка. Як будується ця сітка? Найбільш важка частина кругової сітка павука Araneus diadematus – будівництво першої нитки. Це міцна горизонтальна нитка, на якій висить вся інша частина ловчої сітки. Як павук з’єднує цю нитку між двома точками? Він випускає клейку нитку, яка легко переноситься вітром і прилипає до якоїсь поверхні. Павук робить її довшою, випускаючи шовк із прядильних органів. Коли перша нитка прокладена вдало, павук ретельно йде по цій нитці, підсилюючи її другою ниткою. І так доти, поки первинна нитка не буде досить міцною. Після цього павук вішає нитку у формі букви Y під первинною ниткою. Це три перші радіальні промені сітки. Інші промені будуються так, щоб відстань між ними була досить маленькою і павук міг спокійно переміщуватися між ними. Далі по спіралі наноситься липка нитка. Коли липка спіральна нитка нанесена, сітка готова до використання.
Плетіння ловчої сітки забирає багато ресурсів павука. Якщо сітка не дуже пошкоджена, вона може залишатись протягом кількох днів і використовуватись багаторазово, після незначного ремонту. Після нічного полювання сітка зношується. Тому павук з’їдає шовк, залишаючи лише першу нитку. Зазвичай, павуки тчуть нову сітку вечорами, після денного відпочинку. Існує багато різновидів побудови сітки. Крім плоских, двовимірних, кругових сіток, павуки родин Linyphiidae й Theridiidae, до яких належить Чорна вдова (Latrodectus mactans), використовують об’ємні тривимірні сітки. Linyphiidae роблять горизонтальну щільну сітку й велику кількість пластин з не липких ниток вище неї. Якщо комаха зіштовхнеться з ниткою, то вона звалиться вниз на липку павутину й прилипне. Theridiidae будують дуже заплутану об’ємну сітку, потрапляючи в яку здобич відразу заплутується. Funnel weavers будують горизонтальні сітки, схожі на коврики, і чекають у тунелі наприкінці сітки комах, що приземлилися на їхню сітку. Павуки-мисливці, такі як павуки-скакуни , павуки-рисі і павуки-вовки , не використовують ловчі сітки для вилову здобичі. Для цього головне в них – очі й швидкість. Але вони часто використовують нитку як страховку. При переміщенні вони випускають нитку. Якщо вони падають після стрибка на жертву, павутина допомагає повернутися їм на вихідну позицію. Павук-вовк використовує шовк тільки для створення своїх укриттів і місць розмноження. Шовк павука може використовуватись по-різному. Скажімо, деякі племена Нової Гвінеї використовували мережі як капелюхи, щоб захистити голови від дощу.
3. Застосування павутини в промисловості
Німецькі вчені змогли перетворити й без того міцну павутину в справжню супернитку, що у багато разів міцніша, і при цьому чудово розтягується. Вчені розмочили павукову нитку та ввели в неї атоми металів, які «склеїли» окремі білки павутини.
За легендою, у Людовіка XIV і Наполеона були рукавички, виготовлені з павутини, а старіючій британській королеві Вікторії китайське посольство піднесло цілу мантію з такого матеріалу. Важко сказати, наскільки цим твердженням можна вірити, і яку частку в цих тканинах на ділі становила павукова нитка, але доля істини у всьому цьому є. За відповідних умовах павутинка може витримати натяг, у кілька разів більший, ніж максимальний натяг сталевої нитки того ж діаметра, будучи при цьому у кілька разів легше. Наприклад, павутинка товщиною в 1 мм повинна, по ідеї, може втримати людину; як тут не порадіти, що павуки не плетуть такої павутини.
Про специфічні умови, наявність більш міцних сортів стали і ту обставина, що павутинка при цьому розтягнеться на 20-30%, при такому порівнянні звичайно не згадують. І все ж еластичність, міцність і легкість павутини змушують багатьох інженерів мріяти про створення подібного їй синтетичного матеріалу - або хоча б навчитися виробляти натуральну павутину в промислових масштабах. Більше того, такі досліди є: виведені кози, у ДНК яких є гени павукової павутини, а в молоці опиняється велика кількість таких білків - правда, не у сплетеній в нитку формі.
Група німецьких фізиків і хіміків під керівництвом Лі Син Мо з Інституту фізики мікроструктур імені Макса Планка показала, що павутину можна зробити ще міцнішою та еластичнішою.
Особлива обробка перетворює натуральну павутину в супернитку, що міцніша в 5 разів і розтягується втричі краще.
Супернитка товщиною в 1 мм зможе витримати вже з півтонни, вона розтягується в півтора-два рази та має майже ту ж щільність. Технологія такої обробки описана в статті, опублікованій в останньому номері Science.
Вчені спробували отримати чергове підтвердження гіпотезі, що свою силу особливо міцні біологічні матеріали - зубна емаль, клішні, елементи скелету, жала деяких організмів - черпають із порівняно невеликих неорганічних включень у білковій матриці. Замість того, щоб будувати нескінченні графіки кореляції параметрів міцності з кількістю металу в білку, Лі Син Мо і його колеги вирішили прямо порівняти, як буде відрізнятися павукова нитка, у якій мало металу, від павукової нитки, у якій його багато.
Павутинку вчені добули за допомогою павука роду Araneus, намотуючи її на мідну скріпку. Аранеуси - близькі родичі знайомого нам усім павука-хрестовика, у їхнє число входить і він сам. Який вид аранеусів використовувався, не уточнюється, але оскільки спіймали його фізики прямо у дворі свого інституту в Галлі, в центрі Європи, навряд чи це був екзотичний екземпляр.
Отримані від павука нитки експериментатори помістили у вакуумну камеру. Тут їх висушили та піддали багаторазовим циклам осадження на поверхню павутинок металевих сполук, що перемежовувалися витримуванням у парах води.
Спочатку як така сполука використовувався диетилцинк Zn(C2H5)2, оскільки цинк гарантовано працює «підсилювачем міцності» хоча б в одного виду – він відповідає за надзвичайну міцність зубів багатощетинкових хробаків нереїд, які легко гризуть коралові скелети. Потім до цинку додали алюміній у формі триметилалюмінію Al(CH3)3 і відомий своєю міцністю титан (IV) у формі Ti(OCH(CH3)2)4.
Після кількох сотень таких циклів (кожен тривалістю 1-2 хвилини) на поверхні павутинки залишалася тонка плівка оксиду - цинку, алюмінію або титану відповідно. І механічні показники - що вихідний модуль Юнга, що межа міцності, - різко збільшувалися. Краще всіх себе показав титан, і в цілому, чим більше циклів метал/вода було, тим краще був результат.
Можна було б подумати, звичайно, що зайву силу павутині дало зовнішнє покриття, однак це не так. За покращання міцності та еластичності відповідають атоми металу, що проникли в білкову структуру самої павутини.
Саме по собі оксидне покриття великого виграшу не давало (наприклад, воно не розтягується навіть на 1%), та й від товщини його шарую механічні характеристики залежали слабо. А ось зафіксувати сліди титану всередині самої нитки вченим вдалося за допомогою спектрометрії та електронного мікроскопу.
Як виявилося, важливим був і сам процес введення металу в білок - навіть повноцінне вимочування ниток протягом 10 годин у диетилцинку і йому подібним не давало результату, хоч трохи порівнянного з багаторазовими циклами осадження металу й води.
Лі Син Мо і його колеги думають, що атоми металів допомагають «склеювати» окремі білкові молекули, з яких складається павукова нитка. У натуральній павутині цю роб?