19.09.2013

Как насекомые помогают в создании новых материалов и методов лечения

Вещества, намертво клеящие под водой, методы борьбы с саранчой и болезнями — это и многое другое мы можем почерпнуть из опыта, накопленного насекомыми за миллионы лет эволюции.

Аэрозоли, фумигаторы всех мастей, противомоскитные сетки — чего только не придумал человек для борьбы с насекомыми, но самые упорные из них всё равно гордо и с достоинством преодолевают эти преграды. А мы лишь досадуем.

Чтобы победить этого врага, его нужно знать в лицо, уверены Джефф Яргер (Jeff Yarger) из Университета штата Аризона (США) и его коллеги. Применив самые современные лабораторные рентгеновские приборы, они тщательно исследовали структурные особенности материалов, производимых отдельными беспозвоночными членистоногими, и пришли к выводу, что часть из них можно обернуть против самих насекомых.

К примеру, ручейники (их взрослые особи напоминают ночных бабочек) производят липкую паутину, которая, в отличие от обычной, применяется ими исключительно под водой — как для ловли добычи (края сети крепятся к камням вдоль берегов), так и для строительства укрытий.

«Она не сильно прочнее, чем суперклей, но вы попробуйте приклеить что-нибудь суперклеем в ванне, не давая ему при этом высохнуть», — делает нам заманчивое предложение Джефф Яргер. Возможность создать клей, работающий под водой, бесспорно, весьма ценна: в обычных условиях попытка залатать течь в трубе требует слива жидкости, что в целом ряде случаев просто невозможно, ведь мало кто согласится выводить из эксплуатации, к примеру, трубы отопления в зимний период.

Ещё более важным применением такого вещества может стать создание искусственных сухожилий и связок, при помощи которых наконец-то удастся приблизиться к полноценному протезированию этих уязвимых тканей. Длинные нити, созданные по образу и подобию паутины ручейников, ведут себя как коллаген в соединительных тканях, при этом оставаясь устойчивыми к жидкостям, постоянно окружающим такие материалы в человеческих суставах.

Подвергнув биополимеры, лежащие в основе такой паутины, рентгеноструктурному анализу, исследователи обнаружили, что они радикально отличаются от паутины пауков или нитей шёлкового шелкопряда. Эта паутина фосфорилирована, то есть после того, как организм создаёт составляющие нить аминокислоты, к молекулярной цепочке присоединяются фосфаты. Мы уже используем фосфаты для создания некоторых водоустойчивых красок, однако их объединение с клеящими веществами пока не исследовалось химпромом. Получив такую бионическую подсказку, химики вполне способны повторить изобретения ручейников в сравнительно короткие сроки.

Установки рентгеноструктурного анализа, принадлежащей Аргоннской национальной лаборатории (США), не миновала и наша заклятая подруга саранча. Нет нужды говорить о масштабе ущерба от этого насекомого: подробное освещение проблемы можно найти даже в древнеегипетских источниках и Ветхом Завете. Впрочем, пожалуйста: крупнейшее зарегистрированное облако саранчи, накрывшее за один раз 513 000 км², состояло из 12,5 трлн особей, а весило 27,5 млн т. Учитывая, что каждое из таких насекомых съедает в день столько растений, сколько весит само, апокалиптический масштаб угрозы очевиден. Борьба с помощью химикатов, увы, не так проста: преодолевая за день до 500 км, саранча появляется внезапно, распылять же пестициды до её прилёта бессмысленно, постольку траекторию этой напасти вычислить невозможно. После того как вредитель оккупирует поле, за него тоже можно не беспокоиться: скорее всего, насекомые, съев всё подчистую, улетят за несколько часов до того, как вы приступите к активным действиям.

Но вот Скотт Кирктон (Scott Kirkton) из Юнион-колледжа (США), используя рентгеновские снимки сверхвысокого разрешения, выяснил, что перед очередной линькой в каждой из жизненных фаз саранчи ей становится тесно в старой оболочке. От этого трахеи насекомого сдавливаются и деформируются хитиновым экзоскелетом, ему становится трудно дышать, что приводит к снижению активности и вызывает саму линьку. Для проверки полученных данных саранчу держали в бедной кислородом атмосфере, и оказалось, что в таких условиях она линяет до срока — будучи ещё слишком маленькой для следующей жизненной фазы. Поскольку сбиваться в триллионные тучи саранча начинает после очередной линьки (до этого она, живущая поодиночке, совершенно безвредна), чтобы снизить ущерб от нашествий, семенное зерно следует хранить в условиях малого доступа к кислороду. «Слишком быстрая линька приведёт к появлению меньших по размерам взрослых особей, с не очень хорошим аппетитом и урезанной общей продолжительностью жизни», — поясняет г-н Кирктон.

Впрочем, линька свойственна подавляющему большинству насекомых-вредителей, уточняет учёный, оттого после дополнительной проверки на других видах метод вполне можно использовать для борьбы едва ли не со всеми вредителями, которые инфицируют семена культурных растений. И безо всяких пестицидов! При этом малые физические размеры семенного фонда позволяют легко держать его в обеднённой кислородом среде, хотя, конечно, тут может ждать другая проблема: надо постараться не переборщить и не создать слишком благоприятные условия для развития грибков.

Ну, а третья группа исследователей во главе с Томом Дэниэлом (Tom Daniel) из Вашингтонского университета (США), работавшая с той же техникой, анализировала мышечные усилия машущей крыльями моли. В этом смысле мускулы насекомых являются древней загадкой, никак не поддающейся разрешению. Та же моль способна резко ускоряться с места, а затем стремительно тормозить. Теоретически её организм просто не может выдать достаточно мощности для подобных рывков, и тем не менее каждый из нас может убедиться, что моль успешно делает это.

Так вот, на сей раз анализ её движений неожиданно показал, что верхняя часть грудного отдела, где находятся мышцы, развивающие основные усилия при биении крыльев, почему-то имеет температуру меньше, чем нижняя часть туловища, мышцы в которой вообще очень мало задействованы при взмахах.

Это кажется не очень логичным, ведь при механической работе в организме моли выделяется тепло. Картина, казалось бы, должна быть прямо противоположной: чем сильнее трудится мышца, тем теплее она должна быть! Рассмотрев ситуацию при помощи рентгена высокого разрешения, учёные установили, что нити миозина (протеина, составляющего часть мышечных волокон) тянут нити актина (другого компонента тех же волокон) при сокращении мышц. Все эти нити формируют решёткоподобную структуру. Она упруга и способна хранить энергию упругой деформации долгое время. По сути, создаётся накопитель энергии, а не мотор (как думают многие биологи). Сокращение же мускулов больше похоже на срабатывание пружины после удаления удерживающего её веса, нежели на прямое действие моторов обычного типа.

На относительно холодных участках мускулатуры моли нити протеинов оставались соединёнными в решёткоподобную структуру дольше, чем в нагретых областях, но значило это не то, что тамошние мышцы недорабатывают. Напротив, они дольше накапливают энергию для более сильного сокращения. А за время такого ожидании мышца успевает сильнее охладиться, тем самым создавая впечатление своей малой используемости. Более того, именно из-за малой температуры мышцы способны так долго удерживать нити миозина и актина в виде решётки, накапливая энергию для мощного рывка.

Словом, исследователям удалось обнаружить новый механизм хранения энергии в мышце, а это очень важно, особенно если вспомнить, что мышцы моли и человека структурно не слишком различаются. Очевидно, полагают авторы работы, накопление потенциальной энергии упругой деформации играет значительную роль и в наших мускулах, что может заметно продвинуть протезирование конечностей и помочь в лечении заболеваний, атакующих мускулатуру человека.

С названными исследованиями можно ознакомиться в изданиях Biomacromolecules, Journal of Comparative Physiology и Science.

Александр Березин

Источники:

1. compulenta.computerra.ru