«Рукотворный» шелк

Кажется, что эти несчастные насекомые попались на обед пауку. Но нет, паутину они сплели сами. Это эмбии, отдельный отряд насекомых, родственный палочникам. Большую часть жизни они проводят в шелковых домиках-лабиринтах, которые строят в прямом смысле слова своими «руками»: прядильный аппарат находится у них прямо в члениках передних лап (у пауков паутинные железы находятся на заднем конце тела, а у шелкопрядов — на переднем). Форма тела эмбий идеально подходит для перемещения по длинным ходам: эти насекомые бескрылые (кроме взрослых самцов), обтекаемые и очень гибкие, с довольно нежным тельцем.

Эмбии распространены преимущественно во влажных тропиках и субтропиках, но встречаются и в более аридных зонах. По меркам энтомологов, эта группа сравнительно небольшая, известно всего 360 видов, но, возможно, еще много неизученных видов скрывается в тропических лесах. В Крыму и на Северном Кавказе обитает всего один вид — средиземноморская, или реликтовая, эмбия (Haploembia solieri).

Разнообразие самок эмбий и их шелка. A — слева направо: Metoligotoma pentanesiana (семейство Australembiidae), Archembia n. sp. (Archembiidae), Haploembia tarsalis (Oligotomidae), Macrembia sp. (Embiidae), and Antipaluria urichi (Clothodidae). Длина тела самок варьирует от 1,2 до 2 см. B — шелк Gibocercus sp. (Archembiidae) на коре дерева в Эквадоре, такое листообразное покрытие над трубчатыми маршрутами типично для видов эмбий тропических дождевых лесов. Процарапанная поверхность коры указывает на питание эпифитными водорослями и мхами на её поверхности. C — шелк Pararhagadochir trinitatis (Scelembiidae) в лабораторном контейнере, видны трубчатые галереи. D — Aposthonia borneensis (Oligotomidae) охраняет кладку яиц, скрытую в «ткани» из шелка (в лаборатории). E — вверху: отверстия в шелке Embia nuragica (Embiidae); внизу — отверстие колонии Metoligotoma incompta (Australembiidae) в листовой подстилке. Фото из статьи D. McMillan et al., 2016. Choreography of silk spinning by webspinners (Insecta: Embioptera) reflects lifestyle and hints at phylogeny

Как видно на главном фото, разветвленная сеть тоннелей принадлежит не одному насекомому: эмбии живут небольшими колониями-семьями, обычно состоящими из самок и их потомства, при этом эусоциальность у них не развита. Крылатые самцы живут недолго, поскольку не питаются и умирают вскоре после спаривания, но зато они единственные могут перемещаться на сколько-то значительные расстояния. Впрочем, эмбии особенно и не стремятся за пределы своего пряденого домика — он и жилище, и убежище от врагов, и еды там тоже вдоволь. Кормятся они на листовой подстилке, основу рациона составляют водоросли и лишайники, но и каннибализм нередок — случается им пообедать собственным потомством, нечаянно подвернувшимся на голодный желудок.

Тоннели распространяются вширь по мере того, как их обитатели ищут себе свежую пищу, старые зоны ближе к центру служат укрытием и местом для откладывания яиц. Одни виды эмбий выстраивают галереи целиком из паутины, другие склеивают ею различный субстрат. Шелк выделяют все — самки, самцы и нимфы.

Основой для колонии может служить не только кора дерева или листовая подстилка. Некоторые виды эмбий строят свои туннели прямо на скалах. Фото © Jordan de Jong с сайта flickr.com, Mutawintji National Park, восточная Австралия

Шелкоотделительные железы есть у 23 групп насекомых, пауков и еще у нескольких видов членистоногих (клещи, ложноскорпионы). Но только три из этих групп развили в себе способность прясть полотно из выделяемых нитей: собственно, эмбии, перепончатокрылые и бабочки. Эмбии плетут шелк всю жизнь, в то время как многие группы насекомых выделяют паутину только в особых случаях — для откладки яиц или постройки кокона. Эмбии выделяют самую тонкую шелковую нить среди всех насекомых — 90–100 нм в диаметре (примерно в 170 раз тоньше самых тонких человеческих волос).

Расположение паутинных желез на передних конечностях у эмбий уникальное. Вздутые базальные тарзомеры (tarsomeres) — сегменты лапок — передних ног покрыты волосковидными выростами, выделяющими паутину. На каждой из ног до полутора сотен желез. Каждая состоит из полого резервуара для хранения шелкового секрета и окружающей его синцитиальной ткани, имеет свой собственный проток, открывающийся на кончике кутикулярного выроста на нижней поверхности членика. Паутинные железы эмбий, по одной из теорий, произошли от хемосенсорных (вкусовых чувствительных) сенсилл.

Передние ноги эмбии, вид снизу. Видны волоски — кутикулярные выросты, через которые выделяется секрет паутинных желез. Фото с сайта kged.org

Секрет железы поступает в канал под действием внешнего давления — стоит насекомому коснуться поверхности, как из лапки начинают тянуться нити паутины (см. видео). Этот процесс запускается любым случайным прикосновением, что накладывает определенные сложности на передвижение. Чтобы быстро убежать от хищника, эмбии используют задний ход и перемещаются так гораздо быстрее, чем двигаясь в прямом направлении (см. видео). Прядильные конечности они держат на весу, отталкиваясь только краем лапки (как если бы человек при ходьбе опирался на запястье).

Трёхмерная реконструкция лапки средиземноморской эмбии (Haploembia solieri), полученная микрокомпьютерной томографией (компьютерная томография высокого разрешения — до микрон или нанометров). A — шелкопрядный аппарат в переднегрудном тарзомере. B — железа с выводным протоком. C — схематичное изображение железы. bta — базальный тарзомер (членик лапки); cc — «канальный резервуар»; dc — проток; glt — ткань железы; res — резервуар железы; se — кутикулярный вырост. Изображения из статьи S. Büsse et al, 2015. The spinning apparatus of webspinners — functional-morphology, morphometrics and spinning behaviour

Шелковые домики защищают не только от хищников, но и от воды, в которой насекомое может легко утонуть. Структура белка изменяется под действием влаги, не позволяя каплям воды проникнуть дальше самого верхнего слоя волокон. Ученые с помощью сканирующего электронного микроскопа засняли контакт капли воды с поверхностью шелка. Видно, что шелк эмбий представляет собой гидрофобную поверхность, на которой капля воды сидит, как на лепестке розы. Шелковые волокна облачены в гидрофобный липидный слой и образуют слабосплетенное слоистое полотно. Нити под действием контакта с водой стягиваются в супер-липкие участки, удерживающие каплю на поверхности с большим углом соприкосновения. Наблюдаемый эффект очень похож на эффект лотоса (см. картинку дня Эффект лотоса), но капли не скатываются с поверхности, а прилипают к ней.

Оптические и крио-СЭМ (см. Криоэлектронная микроскопия) фотографии капли воды на поверхности шелкового полотна Antipaluria urichi. A — угол контакта капли воды с шелком — 150,1°. B — капля воды нанесена вверх ногами на шелк. C — схематическое изображение показывает положение капли при крио-СЭМ. D — замороженная капля на поверхности шелка эмбий (выделенное красным квадратом увеличено), видно, что капля лежит только на верхнем слое шелковых волокон. Фото из статьи T. M. Osborn Popp et al., 2016. Surface and Wetting Properties of Embiopteran (Webspinner) Nanofiber Silk

Такие удивительные свойства шелка, несомненно, вызывают интерес ученых, которые рассматривают возможности применения этой технологии. Использовать природный материал напрямую, как это научились делать с коконами шелкопрядов в текстильной промышленности, пока не смогли. Но наблюдения за структурой шелка эмбий могут помочь созданию искусственных волокон с высокой адгезией к воде, для чего перспективным выглядит метод электроспиннинга.

Фото © Sergei Bikowski с сайта flickr.com.

Виктория Москаленко