Большая липучесть малых тварей

Рис.1. Лапка геккона Gekko gecko, палец с липучими полосками и пучок щетинок

Для большинства людей геккон — это ящерица, которая носится по стенам и потолку. Каждый пальчик геккона оснащен полосками из плотных рядов ветвистых кератиновых щетинок, образующих подушечку (рис. 1). У классического объекта исследований, геккона токи Gekko gecko длиной около 30 см, одна подушечка равна приблизительно 1 см. Эти подушечки, хоть их иногда и называют клейкими, никакого клея не выделяют, ящерица прилипает всухую, для этого ей нужно прижать лапку к поверхности и слегка сдвинуть. В результате скольжения возникает сцепление между щетинками и поверхностью, к которой они прилипают в результате ван-дер-ваальсовых взаимодействий и трения.

Сила адгезии одной щетинки меньше миллиньютона, но их миллионы, и вместе они в состоянии выдержать вес двадцати гекконов. На основе строения гекконовых «липучек» уже сделаны всевозможные устройства для лазанья по стенам и висения на потолке, и они настолько успешно работают, что возникает вопрос: а регулирует ли геккон силу адгезии или его дело только лапы переставлять, в то время как липучесть пальцев — свойство их покрытия, «фундаментально пассивное», как выразились авторы одной статьи. Разные ученые отмечали, что и у мертвых гекконов пальцы каким-то образом цепляются за стенки. С другой стороны, адгезия у мертвых или обездвиженных ящериц, по некоторым данным, слабее, чем у живых. И если геккон действительно регулирует силу сцепления, исследователи не могут понять, как ящерица это делает. Свою лепту в решение проблемы внесли доцент Калифорнийского универси-тета Тимоти Хигем и его постдок Уильям Стюарт («Biology Letters», 2014, 10, doi: 10.1098/rsbl.2014.0701). Они сравнили адгезию лап живого и мертвого геккона с помощью специально разработанного устройства, позволяющего измерять силы, которые возникают при отдирании животного от вертикальной поверхности (рис. 2).



Рис.2. Контролируемый отрыв геккона. (Пояснения в тексте)

Сказать по правде, устройство, которым исследователи очень гордятся, напоминает не то средневековый пыточный станок, не то какое-то древнее строительное приспособление. На ногу геккона надевают хомутик и прилепляют ее к вертикальной акриловой пластинке. Затем ящерицу от этой поверхности отрывают со все возрастающей силой, которую создает песок, сыплющийся в емкость. Силу отрыва геккона измеряли динамометром. Позицию лапы и прикрепление пальцев регистрировали две видеокамеры. Используя полученные изображения, ученые рассчитали силу адгезии лапки, исходя из того, что плотность щетинок и сила, с которой цепляется каждая из них, известны. Ящериц было пять, каждую тянули несколько раз с пятиминутными интервалами для отдыха. Потом гекконов умертвили инъекцией эвтаназола (31%-ного пентобарбитала натрия) прямо в сердце. Смерть наступила спустя семь минут, и в течение получаса исследователи еще несколько раз прижимали лапку мертвой ящерицы к акриловой пластинке и пробовали отлепить.

Чем сильнее геккона отдирают от акрила, тем крепче он за него цепляется. Чтобы его оторвать, нужно приложить усилие, от 4,4 до 12 раз превышающее вес ящерицы. Смерть, как ни странно, не повлияла на силу адгезии. Исследователей также удивило, что пиковая сила адгезии, то есть максимум, после которого лапа отрывается от поверхности, в разных опытах различна, причем варьирует в одинаковой степени и у живых, и у мертвых. Иногда эта сила уменьшалась от попытки к попытке, иногда возрастала, поэтому нет оснований думать, что ее изменения вызваны усталостью ящерицы или временем, прошедшим после смерти. В некоторых случаях пиковая сила достигает шести ньютонов при среднем весе ящериц 46 г.

Живой геккон прилипает к поверхности всей пятерней и держится, пока его не отдерут, у мертвых пальчики отлипают по одному, что, к изумлению исследователей, не влияет на силу адгезии. Оставшиеся пальцы принимают нагрузку на себя. Возможно, дело в том, что у геккона, живого или мертвого, когда его тянут за лапу, пальцы постепенно сближаются, клейкие подушечки налезают друг на друга, площадь их соприкосновения с поверхностью уменьшается, сила сцепления — тоже (рис. 3). Если один из пальцев отклеился, его подушечка больше не наезжает на другие и площадь сцепления сокращается не так сильно.



Рис.3. Когда геккона тянут за лапу, его пальцы сближаются, подушечки наезжают друг на друга и площадь их соприкосновения с поверхностью уменьшается (слева направо)

Из наблюдений калифорнийских ученых следует, что смерть не влияет на силу, с которой геккон держится за поверхность, на скорость движения лапки, когда ее тянут, и на положение пальцев. Но кое-что живая ящерица все-таки может сделать. Когда напряжение становится слишком велико, она резко растопыривает пальцы, даже отгибает их от поверхности, и моментально отлипает. И это, по мнению исследователей, основной механизм регуляции адгезии, которым располагает геккон. Возможно, способность быстро высвободить лапу развилась в дополнение к умению намертво прилепить ее к поверхности, и сочетание этих свойств позволяет геккону носиться по стенам и потолку.

Клей ариона

Инженеры наблюдают за животными, не без основания надеясь позаимствовать у них какое-нибудь полезное техническое решение, но порой бывает и наоборот: биологи находят среди инженерных разработок ответы на интересующие их вопросы. Например, сейчас технологи чрезвычайно интересуются гидрогелями, которые представляют собой трехмерные полимерные сети в большом количестве воды, от 50 до 99%. Гидрогели широко используют в самых разных областях, в том числе как системы доставки лекарств, суперабсорбенты, материалы для контактных линз, а в последнее время заговорили о том, что это перспективные материалы для тканевой инженерии, поскольку они реагируют на движение и по структуре напоминают хрящи, сухожилия и мышцы. Но, увы, гидрогелям не хватает прочности, устойчивости к механическим воздействиям. Материаловеды нашли способ, как сделать гидрогель эластичным и жестким: для этого надо соединить в одном геле две связанные друг с другом сети с разными свойствами. Одна прочная и жесткая, а другая — легкодеформируемая, с малым количеством сшивок. Технологию «гидрогелей с двумя сетями», по-английски double network gels, активно разрабатывают специалисты нескольких зарубежных лабораторий («Polymer», 2012, 53,1805—1822, doi:10.1016/j.polymer.2012.03.013).

Искусственными «двойными» гидрогелями заинтересовался профессор колледжа Итаки (США) Эндрю Смит, который вместе со своими студентами изучает превращения слизи моллюсков. Эти слизи тоже представляют собой гидрогели, причем разбавленные, на 95—97% состоящие из воды. Жидкая слизь не клейкая, она предохраняет сухопутных моллюсков от высыхания и обеспечивает смазку при движении, но у некоторых видов эта рыхлая субстанция превращается в настоящий суперклей. Например, улитки с его помощью удерживаются на влажных камнях, и, чтобы их оторвать, нужны инструменты. Что превращает смазку в клей? Эндрю Смит предположил, что эти слизи представляют собой гели с двойной сетью, и, по-видимому, оказался прав («Journal of Experimental Biology», 2015, doi:10.1242/jeb.128991).



Рис.4. Слизень буроватый Arion subfuscus выделяет защитный гель, который превращается в прочный клей

В качестве объекта исследования профессор Смит выбрал сухопутного буроватого слизня Arion subfuscus. В случае опасности железы у него на спинке выделяют оранжевый гель, который очень быстро застывает в резиноподобную массу (рис. 4). Этот защитный секрет липкий и жесткий одновременно. Если склеить им акриловые диски, они слипаются в считанные секунды, и нужно усилие около 100 кПа, чтобы их разделить. Образец защитной слизи растягивается раз в десять. Чтобы собрать материал для исследования, слизней приносили в лабораторию, слегка массировали им спинку, чтобы стимулировать выделение защитного секрета, который аккуратно соскребали шпателем. Один моллюск выделяет 40—50 мг слизи, Эндрю Смит сравнивает это количество с половиной ластика на карандаше. Пробы замораживали для будущих исследований, а слизней возвращали на то место, откуда взяли. Замораживание и последующее оттаивание не влияли на свойства слизи.

Прежде всего ученые определили состав защитной слизи. Она содержит белки, называемые asmp (Arion subfuscus mucus protein), эти белки могут связываться с металлами, и большинство из них объединено в крупные комплексы. Ионы металлов тоже присутствуют: цинк, кальций, железо и медь. Кроме того, секрет слизня содержит сульфатированные полисахариды. У каждого компонента свои функции. Ионы металлов связываются с отрицательно заряженными крупными углеводными полимерами, обеспечивая образование эластичной полисахаридной сети. Ионы железа и меди могут также катализировать реакции окисления некоторых аминокислот, таких как лизин; в результате образуются карбонильные группы, которые вступают в реакции, образуя ковалентные связи. Так формируется вторая сеть — прочная белковая. Эти сети контактируют друг с другом, поскольку полисахариды слизи A. subfuscus образуют связи с белками. Обычные белковые сети довольно хрупкие, их легко повредить. Но чтобы разрушить клей ариона, надо разорвать и вторую сеть, что гораздо труднее, поскольку срабатывает принцип слабых связей и скрытой длины молекулы (рис. 5).



Рис. 5. Молекулы эластичного полимера прошиты слабыми связями (обозначено крестиком). Когда разрушают жесткую, но хрупкую сеть, эти связи разрываются, длина молекулы увеличивается, и нужно значительно больше усилий, чтобы ее порвать

Белковая сеть соединена с полисахаридной слабыми связями. Эти связи прошивают молекулы углеводов, и часть их длины как бы подколота внутрь. Так иногда детям шьют одежду на вырост, убирая в швы запас ткани. Когда к гелю прикладывают усилие, белковая сеть быстро разрушается, слабые связи рвутся, и молекулы полисахаридной сети разворачиваются в полную длину. Объем геля таким образом резко возрастает, и усилие, приложенное изначально к небольшому образцу, «размазывается». Чтобы разрушить такой гель, нужно затратить значительно больше энергии. Прочность геля с двойной сетью на несколько порядков больше, чем двух независимых единичных сетей. Эндрю Смит обрабатывал гель ариона ферментами, которые избирательно разрушают белковую или полисахаридную сеть. Во всех случаях гель полностью утрачивал эластичность и прочность и становился жиденьким и водянистым, как обычная слизь-смазка. Таким образом, каждая из сетей отдельно создает малую вязкость, но вместе они образуют прочный материал.

Исследователи отмечают, что механизм превращения слизи разных моллюсков еще надо уточнять, но интерес у них не праздный. Они хотят найти материал, который можно использовать как медицинский клей. У современных медицинских клеев ограниченные возможности, их используют лишь в том случае, когда разрез чистый, с ровными краями и не слишком глубокий. Эндрю Смит надеется, что исследование гелей улиток и слизней поможет ему получить гель, который выдержит действие телесных жидкостей и деформацию поверхностей и не оставит рубцов.

Н.Анина

Источник: "Химия и Жизнь" №10 2015