Полное название темы работы | Химия и геометрия паутины |
Название секции форума | Химия и химические технологии |
Тип работы | исследовательский реферат |
Возрастная номинация | 6-8 класс |
Фамилия имя отчество (полностью) | , 18.05.2002 |
Домашний адрес автора | г. Шарыпово 6-20-69 |
Место учебы: | Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №7» |
Класс | 7Б класс |
Место выполнения работы | научно-исследовательский центр, лаборатория; научное объединение, образовательная программа,… |
Руководитель | Фамилия, имя, отчество, место работы, должность |
Научный руководитель | Фамилия, имя, отчество место работы, должность, ученое звание (обязательно), контактный телефон |
Ответственный за корректуру текста работы | Фамилия, имя, отчество, место работы, должность |
e-mail (обязательно) | Указываются для автора и руководителя работы |
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Проблема.
Паутина – это очень интересный и полезный в практическом применении натуральный материал, огромное значение которого, незаслуженно сегодня затмили многочисленные синтетические полимеры [1].
Каждый из нас прекрасно представляет себе паутину: неоднократно сталкивался с ней в лесу, а то и в своем собственном доме. Из углов паутину смахивают веником, а в лесу, случайно угодив в неё лицом, недовольно стряхивают [1].
Природные материалы, удостоенные пристального внимания исследователей, таят еще много загадок. Одной из таких загадок является паутина (по материалам тезисов X Московского международного салона инноваций и инвестиций) [2] .
Целью исследования является: определение химического состава паутины и её рисунка.
Задачи:
- выявить химические вещества, содержащиеся в паутине и определить их свойства, работая с разными источниками информации;
- изучить процесс плетения паутины, т. е. геометрию рисунка;
- дать оценку применения паутины в биотехнологии (свойства).
- сделать анализ полученной информации и выводы исследования.
Для рассмотрения данной проблемы, составила план своего исследования.
Работа с разными источниками информации. Определение проблемы, актуальности. Постановка цели и задач исследования. Анализ и обобщение полученной информации. Определение основной части реферата. Написание и оформление исследовательского реферата.ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Для проведения своего исследования по данной теме, изучила разные источники информации о паутине, которые представлены в конце работы и на них имеются ссылки.
Химический состав и физические свойства паутины.Ученые разных стран мира долго изучали химический состав паутины восьминогих ткачей, и сегодня картина ее строения раскрыта более или менее полно. Нить паутины имеет внутреннее ядро из белка, называемого фиброином, и окружающие это ядро концентрические слои гликопротеидных нановолокон. Фиброин составляет примерно 2/3 массы паутины (а также, кстати, и натурального шелкового волокна). Это вязкая, сиропообразная жидкость, полимеризующаяся и затвердевающая на воздухе.
Гликопротеидные волоконца, диаметр которых может составлять всего несколько нанометров, могут располагаться параллельно оси фиброиновой нити или образовывать спирали вокруг нити. Гликопротеиды – сложные белки, которые содержат углеводы и имеют молекулярную массу от 15 000 до 1 000 000 а. е.м, – присутствуют не только у пауков, но и во всех тканях животных, растений и в микроорганизмах (некоторые белки плазмы крови, мышечных тканей, оболочек клеток и др.).
При образовании паутины гликопротеидные волоконца соединяются между собой за счет водородных связей, а также связей между СО - и NН-группами, причем значительная доля связей образуется в паутинных железах паукообразных. Молекулы гликопротеидов могут образовывать жидкие кристаллы со стержневидными фрагментами, которые укладываются параллельно друг другу, что придает структуре прочность твердого тела при сохранении способности течь подобно жидкости.
Основные составные части паутины — простейшие аминокислоты: глицин Н2NCН2СООН и аланин СН3СHNН2CООН. В паутине содержатся и неорганические вещества – гидрофосфат калия и нитрат калия. Их функции сводятся к защите паутины от грибков и бактерий и, вероятно, созданию условий для образования самой нити в железах [3].
Ученых больше всего интересует каркасная нить паутины, необычайно прочная и эластичная. Мало кто знает о том, что нить паука по своей прочности близка к нейлону — прочность на разрыв составляет от 40 до 260 кг/мм2, что в несколько раз прочнее стали. Если бы паутина имела диаметр 1 мм, то она могла бы выдержать груз массой приблизительно 200 кг. Стальная проволока того же диаметра выдерживает существенно меньше: 30–100 кг, в зависимости от типа стали. К тому же она необычайно эластична.
Когда паутина намокает, она сильно сокращается (это явление получило название суперконтракции). Это происходит потому, что молекулы воды проникают в волокно и делают неупорядоченные гидрофильные участки более подвижными. Если паутина растянулась и провисла от попадания насекомых, то во влажный или дождливый день она сокращается и при этом восстанавливает свою форму.
Другое необычное свойство паутины — внутренняя шарнирность: подвешенный на паутинном волокне предмет можно неограниченно вращать в одну и ту же сторону, и при этом она не только не перекрутится, но вообще не будет создавать заметной силы противодействия [6] .
Процесс плетения паутины.
Все начинается с образования специального секрета, который вырабатывается многочисленными паутинными железами, хитро спрятанными внутри брюшка паука. Протоки этих желез открываются очень маленькими прядильными трубочками, находящимися на конце специальных паутинных бородавок. К примеру, у крестовиков количество таких трубочек от 500 до 600.
Жидкий вязкий секрет, вырабатывающийся этими железами, состоит из белка. Удивительная способность этого секрета – практически мгновенно затвердевать в воздухе в виде тончайших ниточек. Пауки плетут паутину особым образом: они прижимают свои бородавки к специальному субстрату, после чего небольшая часть секрета, который выделяется в этот момент, застывает, приклеившись к самому пауку.
Далее этот «строитель» начинает вытягивать вязкий секрет уже из паутинных трубочек с помощью своих задних лапок. Когда паук начинает перемещаться от одного места закрепления паутины к другому, то его жидкий секрет просто растягивается по длине, превращаясь в затвердевшие нити. А дальше – ловкость лап и мастерство геометрии!
Цели, с которыми пауки плетут свои нити, бывают весьма разнообразными. Наиболее распространенные причины для сооружения паутины - это убежище для построения коконов, ловчие сети для добычи, а также временное укрытие на период линьки или во время тех или иных неблагоприятных условий окружающей среды. Подробнее об этом – ниже [4].
Ученые, проводя опыты, различными психотропными веществами начиняли мух и подсовывали их паукам. Откушав зелье, пауки начинали плести паутину.
Первой была муха с кофе. Как ни странно, но больше всего «колбасило» пауков именно от него. Паутина получалась рваной и путаной с беспорядочным узором. Кофеин, особенно в больших дозах вызывает беспокойство, нервозность, раздражительность и бессонницу.
Второй была гашишная муха. От гашиша паук на половине паутины
остановился, подумал, что жизнь прекрасна и без паутины и мух, и бросил плести.
От третьей мухи с ЛСД у паука начались пространственные иллюзии.
И мир, в представлении пауков изменился. Паутине уже стали не нужны поперечные ниточки. Зачем бесполезная трата паутины, если она и так великолепна.
Хлоралгидрат вызывает оцепенение паука, и он вскоре прекращает плести сети. Производные лизергиновой кислоты стимулируют активность паука, и он старательно плетет сеть, качество которой получается значительно выше природной паутины.
Ученые также обнаружили, что узор паутины также меняется, если пауку дать каплю крови отравленного человека. Эту особенность решили использовать в медицинской практике для диагностики отравлений. По форме паутины можно поставить диагноз и своевременно начать лечение. Для этой цели был создан специальный атлас-справочник, в котором были приведены рисунки паутины, сотканной пауком под влиянием различных ядовитых веществ [5].
Обычный рисунок паутины
Рисунок паутины (под влиянием разных веществ)
Оценка применения паутины в биотехнологии (свойства).
Биотехноломгия — дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов, их систем или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач, а также возможности создания живых организмов с необходимыми свойствами методом генной инженерии.
До недавнего времени единственной областью использования паутинных нитей являлись некоторые отрасли оптической промышленности. Паутинные нити применяют в астрономических, геодезических и военных оптических приборах для устройства перекрещивающихся нитей в окулярах измерительных приборов.
В нашей стране наиболее серьезные исследования в этом направлении велись во время Великой Отечественной войны в Пермском университете под руководством профессора . Он справедливо высказывал мысль, что особые качества паутинного волокна позволяют использовать его не в изготовлении предметов одежды, а «в различных областях техники и, может быть, медицины» [7].
Материал из паутины может пригодиться на поле боя, в хирургии и даже в космосе, уверены многие специалисты. В получении изделий из белков паутины заинтересованы в институте биоорганической химии РАН, а также в Институте трансплантологии и искусственных органов в качестве материала для наложения швов, укрепления имплантатов и даже для заготовки искусственных органов, т. к. она обладает улучшенными механическими свойствами.
В популярном издании Plos One появилась статья московских ученых из столичного физико-технического института. В результате исследований нашим ученым удалось вырастить сердечную ткань на подложки из нити паутины.
Ученые отмечают, что основа из волокон паучий нити была взята не случайно, крайне сложно подобрать подходящий материал, так как используемая ткань, должна быть органического происхождения, обладать значительной эластичностью, и не препятствовать росту клеток. Полученные результаты являются первичными, однако при продолжении исследований это открытие может стать одним из самых выдающихся в истории человечества.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате своего исследования, выявила химические вещества, содержащиеся в паутине с определением их свойств; изучила процесс плетения паутины, т. е. геометрию рисунка, оценила применение паутины в биотехнологии.
На основании данного исследования, могу сделать обобщенные выводы:
1. Паутина имеет сложный химический состав, который до сих пор изучают ученые. В основном в этот состав входят различные аминокислоты и неорганические вещества. По химической природе паутина представляет собой белок, близкий по составу к шёлку насекомых. Паутину способны выделять представители ряда групп паукообразных (пауки, ложноскорпионы, некоторые клещи) и губоногие многоножки.
2. Паутина обладает физическими и механическими свойствами: прочностью, эластичностью, твердость и нерастворимостью в воде.
3. Плетение паутины и её геометрический рисунок зависит от состояния паука. Под действием различных медицинских препаратов меняется рисунок и время, затраченное на плетение паутины. Оказалось, что любое нарушение нервной системы паука нарушает закономерность плетения паутины и отражается в рисунке паутины.
4. Благодаря физическим и механическим свойствам паутины, её можно применять: в астрономических, геодезических и военных оптических приборах для устройства перекрещивающихся нитей в окулярах измерительных приборов. В разных странах биотехнологические компании научились изготавливать искусственные аналоги паутины, но до совершенства природного полимера им еще далеко. Достичь его можно только разобравшись, какие из физических или химических особенностей строения, отвечают за уникальные механические свойства паутины. Успех в решении прикладной задачи напрямую будет зависеть от результатов фундаментальных исследований [8].
К сожалению, на данный момент, несмотря на все усилия, нет ни одного эффективного метода производства паучьего шёлка. Если в будущем удастся наладить производство паутины в промышленных масштабах, то сверхпрочную паутину Лепоре и коллег можно будет использовать в самых разнообразных областях от модной одежды до бронежилетов и кухонной утвари [9].
Используемая литература.
http:///1597-prakticheskaya-polza-ot-pautiny. html http://www. rusnanonet. ru/articles/40463/ http://him.1september. ru/article. php? ID=200203501 http://www. kakprosto. ru/kak-807863-kak-pauk-pletet-pautinu http://otvetmario. ru/zhivotnye-rasteniya/odinakov-li-risunok-pautiny-spletennyj-paukami-odnogo-vida-ot-chego-on-zavisit/ http:///prakticheskaya-poleznost-pautinyi/ http://www. volot. ru/articles/details/45.htm http://www. rusnanonet. ru/nns/20790/articles/?page=40463 http://cyberleninka. ru/article/n/ispolzovanie-svoystv-pautiny-v-kachestve-indikatora-izmeneniya-usloviy-okruzhayuschey-sredy
