Ученые выяснили, как пауки узнают, в какую часть паутины попала их жертва
Математики раскрыли простой принцип, который позволяет паукам узнавать, в какую часть их ловчей сети попала очередная жертва, а также использовать паутину для постоянного сбора информации об окружающей среде. Их выводы опубликовал научный журнал SIAM Journal on Applied Mathematics.
«Паутина — естественная, очень легкая и элегантная структура, которая обладает гигантской прочностью по отношению к ее массе. До настоящего времени у нас не было даже упрощенной механической модели, которая описывала бы работу и природу этой двумерной вибрирующей системы», — прокомментировал работу один из ее авторов, профессор математики из Университета Удине (Италия) Антонио Морасси.
Паутина уже много десятилетий привлекает внимание самых разных ученых. К примеру, инженеры и математики интересуются принципами устройства паутины, биохимики и химики — ее составом и возможностями по применению ее компонентов на практике, а эволюционисты — тем, как пауки научились плести подобные ловчие сети.
Как надеются ученые, эти эксперименты помогут человечеству «скопировать» часть изобретений природы и научат нас пользоваться ими в своих целях. К примеру, в июле этого года генетики расшифровали геном мадагаскарских пауков, плетущих самые прочные ловчие сети на Земле, и открыли уникальный белок, который делает их ловчие сети в десять раз более прочными, чем кевлар.
Морасси и его коллега Александре Кавано из университета Сан-Паулу (Бразилия) нашли математический ответ на одну из главных биологических загадок — как пауки практически мгновенно определяют, в какую часть их паутины попала очередная жертва, а также отличают ее от случайных дуновений ветра или ударов веток.
Математика охоты
Паутина сплетена из радиальных и спиральных волокон, чей состав и функции различаются. Вторые состоят из «мягкой» разновидности шелка, которая прилипает к жертве и не дает ей покинуть сети охотника. Радиальные нити состоят из особо прочной вариации этих белковых волокон, которые удерживают паутину на месте и не дают ей деформироваться.
В прошлом математики пытались представить их в качестве одномерных конструкций, вдоль которых распространяются вибрации, порожденные «обедом» паука или случайными процессами. Эти модели хорошо описывали то, как возникают различные типы колебаний, но они не были способны объяснить, как именно восьминогий хищник определяет их тип и локализует их источники.
Кавано и Морасси решили эту проблему, представив паутину в качестве своеобразной двумерной мембраны, которая состоит из множества переплетенных волокон двух типов. По поверхности этой мембраны распространяются разные типы вибраций. Этот подход позволил им поставить себя на место паука, который затаился в центре паутины, и понять, как он «слышит» своих жертв, ветер и прочие источники шума.
Расчеты показали, что хищник определяет положение жертвы, сравнивая то, насколько сильно меняется сила натяжения разных радиальных волокон, которых касаются его ноги. Восьми ног паука, по словам исследователей, вполне хватает для того, чтобы однозначно определить источник колебаний и понять, что их порождает.
Подобные математические принципы, по словам Морасси, можно применять для того, чтобы создавать сверхчувствительные датчики давления и прочие сенсоры, похожие по принципам устройства на паутину, а также для того, чтобы решать другие практические задачи.