Пауки на МКС: как гравитация влияет на строительство паутины

На мировое научное сообщество возложено много обязанностей, особенно в наше неспокойное время. Разработка вакцин от лихорадящих планету вирусов, изобретения новых типов топлива, решение проблем загрязнения окружающей среды — это лишь малая толика того, чем занимаются ученые по всему миру. Однако это не означает, что для более «странных» исследований не осталось места. Ученые из Базельского университета (Швейцария) решили выяснить, как гравитация влияет на строительные способности пауков и на геометрию их сетей. Для этого они проанализировали результаты многих исследований, начиная с опытов 1952 года. Что будет, если на паука приклеить груз, как себя ведут пауки на МКС, и какие факторы влияют на геометрию их сетей? Об этом мы узнаем из доклада ученых. Поехали.

История исследования паутины и гравитации

Люди, страдающие арахнофобией, частенько шутят, что спрятаться от пауков можно только в космосе. И правда, эти удивительные создания обитают практически везде на Земле. Их можно встретить в лесах, полях, водоемах (вид Argyroneta aquatica обитает под водой) и, конечно же, у себя дома. Страх перед пауками за многие годы создал им далеко не лицеприятный образ в массовой культуре. Однако, несмотря на анти-пиар, подавляющее большинство пауков неопасны для человека.


Как сделать пауков еще страшнее? Сделать их размером с собаку, добавить им почти человеческие лица и кислотную паутину (фильм «Мгла», 2007 год).

Если же говорить о науке, то эти существа позволили совершить немало открытий и стали вдохновением для изобретения многих устройств, которыми мы повсеместно пользуемся. К примеру, яд некоторых пауков можно применять в сельском хозяйстве для борьбы с насекомыми-вредителями, так как он куда безопаснее обычных пестицидов. А в области медицины ведутся многочисленные исследования, в которых яд пауков используется для борьбы с различными заболеваниями человека: от инсульта до болезни Альцгеймера.

Но самым любопытным и самым часто исследуемым аспектом пауков является их паутина. Многие виды создают удивительные сооружения, необходимые им для ловли своей добычи. Успешность охоты зависит не только от прочности шелка, из которого строится ловушка, но и от ее геометрии.

Но не стоит забывать, что на любую постройку, будь то многоэтажный дом или паутина паука, влияет не только строительный материал и архитектурный план, но и внешние силы окружающей среды. Одной из самых очевидных сил является гравитация.

С точки зрения природы, гравитация влияет на рост корней и стеблей у растений, на поведение пчел в улье, и даже заставляет слонов обходить холмы, а не переходить их. Для пауков же гравитация, вероятно, стала одной из основных причин полового диморфизма в размерах самцов и самок некоторых видов. Но куда важнее то, что именно гравитация влияет на успешность ловли добычи, когда пауки используют вертикальные сферические сети. Следовательно, понимая влияние этой силы, пауки должны каким-то образом подстраиваться, т.е. использовать ту архитектуру сетей, которая сможет конвертировать силу гравитации в пользу.



Ярким признаком использования гравитации в ловле добычи среди пауков является асимметричность их сетей: площадь над точкой ожидания, как правило, больше, чем площадь под ним. Объяснение такому дизайну оказалось весьма тривиальным: паукам проще бегать вниз к несчастной жертве, чем вверх. Это подтверждается и тем фактом, что большинство пауков ожидают добычу в верхней точки своей паутины, а не в нижней.

Естественно, все эти наблюдения и данные говорят о важности гравитации в поведении пауков во время охоты. Ученые же считают, что ее влияние распространяется и на сам процесс строительства сетей-ловушек. Если изменить гравитацию, то можно проверить эту теорию.

За последние десятилетия, начиная с 1952 года (Untersuchungen über Herstellung und Struktur des Radnetzes von Aranea diadema und Zilla x-notata...), было проведено несколько опытов, в ходе которых к паукам приклеивали небольшие грузики, чтобы проверить влияние дополнительного веса на положение паука на паутине во время ожидания добычи (точка ожидания). Любопытно, но результаты в разные годы показали разные результаты.

В 1999 году (Asymmetry in spider orb webs: a result of physical constraints?) ученые увидели повышенную асимметрию первой паутины у пауков с грузом (т.е. паутины, которую пауки строили сразу после добавления груза).

А в 1996 году (Mechanics of Silk Produced by Loaded Spiders) и 2009 (Nutrient balance affects foraging behaviour of a trap-building predator) паукам дали некоторое время для адаптации к новому весу. В результате никакой асимметрии паутины не было (вторая паутина в опытах 1996 года и спустя 1 неделю в опытах 2009 года). Другими словами, идея хоть и хорошая, но она не дала однозначных ответов.

Но были и куда более необычные опыты, в ходе которых пауков помещали в центрифугу. Авторы этого экстремального для пауков исследования сообщили, что при весе в 3.5 г никаких отклонений в структуре паутины не было, но вот при весе в 15 г геометрия сети разительно отличалась от контрольной группы (вне центрифуги).

Вполне понятно, что увеличить силы, действующие параллельно силе тяжести, достаточно просто, но вот уменьшить или полностью устранить их гораздо сложнее. Тем не менее, есть подходы, которые устраняют постоянные силы, действующие параллельно паутине, то есть в направлении, в котором сила тяжести действует на паука в вертикальных сферических паутинах. Один из таких подходов — заставить паука строить горизонтальную сеть. К примеру, у пауков вида Argiope argentata количество витков спирали выше и ниже точки ожидания было больше, даже когда пауки были вынуждены строить сеть в горизонтальном, а не в вертикальном положении. Проблема в том, что данных по таким опытам крайне мало, поскольку пауки на отрез отказываются строить какие-либо сети, если предоставленное им пространство не позволяет строить именно вертикальные (кто сказал, что у пауков нет принципов).

Чтобы решить эту проблему, ученые применили самый человечный из всех навыков — ложь. Пауки начинали строить сеть вертикально, но позднее (до ее завершения) тестовую камеру переворачивали так, что сеть принимала горизонтальное положение.

Спирали сетей, построенных в таком положении пауками вида Araneus diadematus, были более округлыми и имели уменьшенную вертикальную асимметрию. Это указывало на то, что паукам не хватало силы тяжести, чтобы строить сети с их типичными удлиненными и асимметричными спиралями. Также было обнаружено, что у пауков, которые обычно строят косую паутину, липкая спиральная асимметрия увеличивается с углом наклона паутины по горизонтали, т.е. у большего количества вертикальных сетей было больше асимметричных липких спиралей.

Помимо этого проводились опыты, в которых тестовая камера, постоянно поворачивалась на 90° или 180° на определенном этапе строительства сети. Непрерывное вращение приводит к довольно серьезным искажениям в геометрии готовой сети в зависимости от скорости вращения. В сетях, которые быстро вращались на определенном этапе построения, некоторые детали сети, построенного после вращения, следовали исходной ориентации, тогда как другие следовали вектору силы тяжести после поворота сети.

Собрав вместе все вышеперечисленные опыты, можно с уверенностью сказать, что гравитация имеет огромное влияние на то, как именно пауки строят свои сети. Но авторы рассматриваемого нами сегодня труда решили пойти еще дальше, а точнее выше, проверив строительные способности пауков в условиях невесомости. Узнать это можно было лишь одним путем — отправив пауков в незабываемое путешествие на МКС.

Впервые такую невероятную затею провернули в 1973 году, когда на Skylab были доставлены два паука вида A. diadematus. Этот эксперимент был предложен старшеклассницей Джудит Майлз на конкурсе школьных экспериментов NASA (добрая девочка, ничего не скажешь). Оба паука построили несколько сетей, но их структуру невозможно было всесторонне оценить, так как не было фотографий, показывающих всю сеть. Было сфотографировано всего пять паутин, и только одна из них (вторая) построенная одним пауком, была, по-видимому, правильной. Остальные четыре были небольшого размера и с неравномерным распределением участков паутины по всей площади сети.

Данный опыт проводился в условиях нехватки оборудования, необходимого для поддержания нормальной жизнедеятельности пауков и для сбора и анализа данных по наблюдениям. Не удивительно, что вывод, полученный из этих опытов, был весьма лаконичен — пауки могут строить свои сети в условиях невесомости.

Естественно, ученые не остановились на достигнутом, и уже в 2008 году снова запустили пауков на МКС. В этот раз весь процесс наблюдений и предварительная подготовка были организованы гораздо лучше. К примеру, в качестве «еды для настоящих космонавтов» для пауков на борт МКС отправили целую колонию дрозофил.


M. labyrinthea (слева) и L. patagiatus (справа).

Роль главного подопытных в данном опыте сыграли взрослая паучиха вида Metepeira labyrinthea, пойманная в дикой природе, и молодняк вида Larinioides patagiatus, выращенный в лабораторных условиях.

M. labyrinthea была помещена в специальную камеру, передняя сторона которой была сделана из прозрачного пластика, что позволяло наблюдать за жизнью паучихи.

Самое смешное, что молодняк вида L. patagiatus был привезен на МКС на случай, если самка погибнет. Однако эти пронырливые создания умудрились сбежать из своего контейнера и перебраться в камеру для наблюдений, где содержалась паучиха M. labyrinthea (почему-то вспомнился фильм «Чужие»). Освещение в камере работало циклично (12:12 часов день/ночь), а снимки делались каждые 5 минут 17 секунд.


Изображение №1

В первые дни после начала опыта пауки передвигались по камере наблюдения, в результате чего она была заполнена, казалось бы, случайными шелковыми прядями. На шестой день L. patagiatus построил сеть (1а). Спустя час самка M. labyrinthea построила свою, что привело к частичному разрушению сети L. patagiatus (1b).

Геометрия этих сетей не была симметричной, но в общих чертах они напоминали «классическую» паутину, создаваемую пауками этого вида на Земле.

Спустя еще 8 часов (во время цикла ночи) L. patagiatus построил еще одну паутину (вторая), но сам же ее и разрушил еще до включения освещения. Следом за этим M. labyrinthea построила свою вторую сеть, которая также не отличалась геометрической симметрией.

За восемь дней наблюдений всего было шесть сетей. Каждая последующая была хуже предыдущей с точки зрения геометрии, симметрии и архитектуры расположения нитей.

И тут снова случилась весьма комичная ситуация. Плодовые мушки, которые были взяты на МКС в качестве провизии для пауков, начали так активно плодиться, что через месяц полностью закрыли смотровое окно камеры. Из-за этого было невозможно наблюдать за пауками.

К сожалению, выводы данных наблюдений не были четкими, ввиду малой выборки и нерегулярности строительства сетей.

Спустя несколько лет, в 2011 году, было решено запустить еще одну паучью экспедицию на МКС. В этот раз были использованы пауки, которые в нормальных условиях строят сильно ассиметричные сети. За счет этого можно было визуально лучше понять разницу между сетью, сделанной на Земле, и сетью, сделанной на МКС. Также было использовано две отдельные камеры наблюдений с пауками одного вида.


Trichonephila clavipes

Испытуемыми в данном опыте выступили пауки вида Trichonephila clavipes, которые всегда строят ассиметричные сети.


Изображение №2

Поскольку вертикальная асимметрия паутины, а также ориентация паука обычно считаются связанными с гравитацией, ожидалось, что пауки T. clavipes, не испытывая силы тяжести, либо поместят точку ожидания добычи рядом со случайным краем паутины, либо сориентируются к большей части паутины, сидя на точке ожидания.

Испытуемые построили свои первые сети уже спустя 48 часов после прибытия на МКС. Процесс строительства сетей в условиях МКС соответствовал таковым в условиях на Земле: удаление предыдущих перемычек, исследования пространства, построение первичного кольца и точки ожидания, построение каркаса, построение внутренних и вспомогательных колец, построение липкой спирали.

Однако в ходе наблюдений не было типичного для данного вида пауков обновления двух третей липкой спирали. Все сети были либо более или менее круглыми, либо, если они были асимметричными, точка ожидания располагалась у края сети ближе к вершине среды обитания. Там, где точка ожидания была ближе к краю в любом другом направлении, не было никаких перемычек. Потому в дальнейшем анализе учитывалась только вертикальная асимметрия.

Вертикальная асимметрия паутины, построенной в условиях невесомости, была довольно непостоянной (2а и 2b), но в среднем она была менее асимметричной по вертикали (изображение №3), чем паутина, построенная в условиях нормальной гравитации, которая всегда демонстрировала типичную для данного вида вертикальную асимметрию (2d).


Изображение №3

Более тщательный анализ показал, что все сети в условиях невесомости, чье строительство начиналось ночью (до включения освещения), были достаточно симметричными. Тогда как сети, строительство которых начиналось при наличии освещения, были довольно асимметричными и походили на те, что строят пауки в условиях нормальной силы тяжести.

Любопытно, что все сети, построенные при нормальных условиях, были асимметричны вне зависимости от времени начала строительства.


Изображение №4

Положение пауков на точке ожидания в условиях невесомости было довольно изменчиво. Но при нормальных условиях ориентация пауков всегда была направлена вниз (изображение №4).

Наблюдения показали, что пауки на МКС чаще ориентировались вниз, если освещение было включено. Если же света не было, то их ориентация на точке ожидания была случайной. Любопытно, что пауки сохраняли свою первичную ориентацию на паутине в течение часа после включения/выключения освещения (изображение №5).


Изображение №5

Паутина, построенная в условиях невесомости, имела более низкую регулярность (в среднем = 2.77), чем паутина, построенная в условиях нормальной гравитации (в среднем = 5.56). Кроме того, во время эксперимента равномерность паутины уменьшалась аналогичным образом как для паутины в невесомости, так и для паутины с нормальной гравитацией (изображение №6).


Изображение №6

Примечательно, что оба паука T. clavipes установили новые рекорды среди пауков-строителей паутины. Паук А (самец) прожил в невесомости 65 дней и успешно вернулся на Землю. Паук B (самка) построил рекордное количество сетей (34 сети) в невесомости и трижды линял в невесомости.

Хотя большинство сетей, построенных в условиях невесомости, действительно были гораздо менее асимметричными, чем сети, построенные в условиях нормальной силы тяжести, некоторые все же имели довольно выраженную и последовательную асимметрию. Особенно ярко это видно на сетях, построенных при наличии освещения. Следовательно, освещение заменили гравитацию в качестве ориентира во время создания паутины. Кроме того, пауки в условиях невесомости демонстрировали случайную ориентацию на паутине только в то время, когда свет был выключен.


Строительство паутины в условиях невесомости.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые подвели итоги наблюдений, опытов и экспериментов, которые неоднократно проводились на протяжении последних десятилетий.

Пауки по праву считаются одними из самых удивительных созданий на планете. Они отличные охотники, заботливые родители и прекрасные строители. Не все конечно, в любом семействе имеются виды, которые идут по своему пути. Тем не менее, когда речь идет о смертоносных ловушках, пауки приходят на ум одними из первых.

Архитектура и геометрия паучьих сетей зависит от множества факторов, начиная от видовой принадлежности строителя, заканчивая, как показало данное исследование, гравитацией.

Как выяснилось, гравитация влияет не только на расположение тех или иных деталей сети, но и на положение самого паука на сети, когда он ожидает свою добычу. При нормальных условиях пауки обычно располагаются там, откуда им будет проще подбежать к застрявшей в паутине добыче, т.е. сверху. Сама же паутина, учитывая гравитацию, будет слегка асимметричной с большей долей паучьего шелка над точкой ожидания, чем под ней. Следовательно, гравитация является одним из основных инструментов ориентации в пространстве для пауков.

Но, что если гравитация изменится либо ее не будет вообще? Как оказалось, у пауков имеется запасной вариант — свет. В условиях пониженной гравитации пауки пытались строить свои сети по классическим схемам, ориентируясь на свет.

На первый взгляд подобные исследования кажутся пустой тратой времени и ресурсов. Однако понимание процессов, протекающих в природе, а также изучение существ, населяющих нашу планету, позволяет почерпнуть много полезного для нас самих. Огромное количество изобретений были совершены так или иначе благодаря природе, которая всегда была лучшим вдохновителем. У природы всегда есть чему поучиться, и ученые это прекрасно знают. Посему, каким бы странным ни казалось исследование, в нем всегда есть смысл.



Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?