Черил Хайяши: Великолепието на паяковата коприна

Аз съм тук, за да разпространя идеята за великолепието на паяците и за това колко много можем да научим от тях. Паяците са наистина граждани на света (глобални обитатели). Можете да намерите паяци почти във всеки сухоземен хабитат. Тази червена точка показва Големия басейн в Северна Америка и там аз се занимавам с проект за високопланинското биоразнообразие с няколко сътрудника. Това е едно от нашите полета на изследване и само за да ви дам чувство за перспектива, това малко синьо петно тук, това е един от моите сътрудници. Това е скалист и пуст пейзаж и все пак и тук има няколко паяка. Обръщайки скалите открихме този раков паяк борещ се с един бръмбар.

Паяците не са само навсякъде, но те са и изключително разнообразни. Има повече от 40 000 описани видове паяци. За да сложим това число в перспектива, това е диаграма, съпоставяща 40 000-те вида паяци с 400-те вида примати. Има два разреда повече паяци, отколкото примати. Паяците също така са изключително стари. Тук в дъното, това е геологична времева скала и числата върху нея показват милиони години назад във времето, тъй че нулата тук, това би било днес. Това, което показва тази фигура, е, че паяците датират от преди почти 380 милиона години. За да сложим това в перспектива, тази червена вертикална линия тук отбелязва времевото разклонение на хората от шимпанзетата - преди само седем милиона години.

Всички паяци правят коприна в някакъв момент от живота си. Повечето паяци използват изобилно количество коприна и коприната е жизнено важна за тяхното оцеляване и възпроизвеждане. Дори изкопаемите паяци правят коприна, както можем да видим от този отпечатък на паяжинна жлеза върху този изкопаем паяк. Значи това означава, че и двете - паяците и тяхната комприна, са съществували преди 380 милиона години. Не минава много време от работата с паяци, за да започнеш да забелязваш колко важна е коприната във всеки аспект от техния живот. Паяците използват коприната за много цели, включително за заден екскаватор за безопасност, за обвиване на яйца за възпроизвеждане, защитени отстъпления и хващане на плячка.

Има много видове паякова коприна. Например, този градински паяк може да направи седем различни вида коприна. Когато погледнете това кълбо от паяжина, всъщност виждате много видове копринени фибри. Скелета и радиуса на тази мрежа са направени от един тип коприна, докато захващащата спирала е съставена от две различни коприни: влакното и лепкавата капчица. Как един единствен паяк прави толкова много видове коприна? За да отговорите на това, трябва да се вгледате много по-отблизо в региона на паяжинната жлеза на паяка. Значи коприната излиза от паяжинните жлези, и за нас, биолозите, занимаващи се с паякова коприна, това е, което наричаме "бизнес край" на паяка. (Смях) Ние прекарваме дълги дни... Хей! Не се смейте. Това е моят живот. (Смях) Ние прекарваме дълги дни и нощи, започвайки от тази част на паяка. И това е, което виждаме. Може да видите многобройни фибри, излизащи от паяжинните жлези, защото върху всяка паяжинна жлеза има много кранчета. Всеки от тези копринени фибри завършва с кранчето и ако проследите фибрите обратно в паяка, това, което ще намерите, е, че всяко кранче се свързва със своя собствена копринена жлеза. Копринената жлеза някак прилича на сак с много копринени протеини, натъпкани вътре. Така че ако имате възможността да направите дисекция на паяк тъкач на кълбовидна мрежа, надявам се да имате, това, което ще намерите, е изобилие от красиви, полупрозрачни копринени жлези.

Във всеки паяк има стотици копринени жлези, понякога хиляди. Те могат да бъдат групирани в седем категории. Различават се по размер, форма и понякога дори и по цвят. В паяка тъкач на кълбовидна мрежа, може да намерите седем типа копринени жлези и това, което съм изобразила тук на тази снимка, нека започнем от позицията на един часа, има тръбовидни копринени жлези, които са използвани за направата на външната коприна на яйчените торбички. Това са цялостните и бичообразни копринени жлези, които се комбинират, за да направят лепкавото спираловидно захващане на кълбовидната паяжина. Пириформени копринени жлези правят съединяващата спойка - това е коприната, която се използва за залепването на копринените линии за субстрата. Има още гроздовидна коприна, която се използва за увиването на плячката. Второстепенна ампулна коприна се използва за конструкцията на паяжината. И най-изучаваната копринена линия от всички тях: главната ампулна коприна. Това е коприната, която е използвана за направата на рамката и радиуса на кълбовидната паяжина и също така - на задния екскаватор за безопасност,

Но какво всъщност е коприната на паяка? Паяковата коприна е почти изцяло един протеин. Почти всички от тези протеини могат да бъдат обяснени от една единствена фамилия гени, значи това означава, че разнообразието от типове коприна, което виждаме днес е (за)кодирано от една фамилия гени, значи вероятно първоначалния паяк прародител е правил един тип коприна и през последните 380 милиона години този единствен копринен ген се е дупликирал и тогава се е отделил, специализирал отново и отново, и отново, за да достигне до обширното разнообразие от паякови коприни, което имаме днес. Има няколко характерни черти, които всички коприни притежават. Всички те имат сходен дизайн, такъв че всички са много дълги - те са необичайно дълги, сравнени с други протеини. Те са много повторяеми и много богати на аминокиселините глицин и аланин. За да ви дам известна представа за това как изглежда един протеин на паяковата коприна, това е протеин на екскаватора, това е само част от него, от паяка черна вдовица. Това е типа последователност, която обичам да гледам ден и нощ. (Смях)

Това което виждате тук е еднобуквена съкращение за аминокиселините, и аз съм оцветила глицина със зелено и аланина в червено, и така може да видите, че е просто много Г-та и А-та. Също може да видите, че има много къси мотиви на серии, които се повтарят отново и отново, затова например има много от това, което наричаме полиаланин, или преповтарящи се А-та, ААААА. Има GGQ (глицин, глицин, глутамин). Има GGY (глицин, глицин, тирозин). Може да си представите тези кратки мотиви, които се повтарят отново и отново като думи и тези думи се появяват в изречения. И например това би било едно изречение и вие бихте получили този зелен регион и червения полиаланин, който се повтаря отново и отново, и отново, и може да имате това стотици и стотици, и стотици пъти в една единствена копринена молекула.

Коприна, направена от същия паяк, може да има крайно различни повтарящи се поредици. В горната част на екрана виждате повтарящия се участък от екскаваторната коприна на градинския паяк Argiope. Къс е. И в долната част, това е повтарящата се поредица за яйчената обвивка, или тубулообразния копринен протеин за точно същия паяк. Може да видите колко крайно различни са тези копринени протеини - това е един вид красотата на разнообразието на гена на фамилията на паяковата коприна. Може да видите как повтарящите се единици се различават по дължина. Те също така се различават и по серии. И аз оцветих глицина отново в зелено, аланина в червено и серина, буквата S, в лилаво. И вие може да видите, че горната повтаряща се единица може да бъде обяснена почти изцяло в зелено и червено, и долната повтаряща се единица има съществено количество лилаво. Това, което ние, копринените биолози, правим е, че се опитваме да свържем тези поредици, тези аминокиселинни поредици с механичните свойства на копринените фибри.

Сега, наистина е удобно това, че паяците използват тяхната коприна напълно извън своето тяло. Това прави тестването на коприната на паяците много, много лесно за извършване в лаборатория, защото ние всъщност, знаете, я тестваме във въздуха, това е именно средата, в която паяците използват своите копринени протеини. И това прави определянето на броя на свойствата на коприната, чрез методи като тестването на разтегливостта, което е всъщност, знаете, теглене на края на нишката, много податливо. Това са стресово-обтегнати графики извлечени от тестване на разтегливостта на пет фибри, направени от един и същ паяк. И това, което може да видите тук, е, че петте фибри имат различно поведение. По-конкретно, ако погледнете вертикалните оси, това е натиск. Ако погледнете максималната стойност на натиска за всеки от тези фибри, може да видите, че има много вариация, и всъщност екскаваторната или главната ампулна коприна е най-силната от тези фибри. Ние мислим, че защото екскаваторната коприна която е използвана за направата на рамката и радиуса на паяжината, трябва да бъде много силна.

От друга страна, ако погледнете обтягането - ето колко една фибра може да бъде разширено - ако погледнете максималната стойност тук, отново има много вариация и явният победител е бичобразната, или хващащото спираловидно влакно. Всъщност, тази бичообразна фибра може да се разтегне два пъти оригиналната си дължина. Значи копринените фибри се различават по своята сила и също така по своята разтегливост. В случая на захващащата спирала, тя има нужда да е разтеглива, за да абсорбира въздействието на летящата плячка. Ако не беше способна да се разтяга толкова, тогава когато насекомо се удари в мрежата, то просто ще отскочи обратно от нея. Значи, ако мрежата беше изцяло направена от екскаваторна коприна, много е вероятно насекомото просто да отскочи обратно. Но имайки много, много разтеглива копринена захващаща спирала, тази паяжина е способна да абсорбира въздействието на тази уловена жертва.

Има известна вариация във фибрите, които един единствен паяк може да направи. Ние наричаме това инструменталния комплект на паяка. Това е, което паякът има, за да взаимодейства със своята околна среда. А какво да кажем за разнообразието измежду видовете паяци, като гледаме един тип коприна и гледаме различни видове паяци? Това е област, която е до голяма степен неизследвана, но има малко информация, която мога да ви покажа. Това е сравнението на здравината на екскаваторната коприна на 21 вида паяци. Някои от тях са паяци тъкачи на кълбовидни мрежи, а някои от тях - не са. Предполага се, че паяците тъкачи на кълбовидни мрежи, като този Argiope тук, би трябвало да имат най-здравите екскаваторни коприни, защото те трябва да улавят летяща плячка. Това, което виждате на тази графика на здравината, е, че колкото по-нависоко е черната точка на графиката, толкова по-значителна е здравината.

21-те видове са посочени тук чрез тази филогенеза, това еволюционно дърво, което показва техните генетични връзки и аз съм оцветила в жълто паяците тъкачи на кълбовидни мрежи. Ако погледнете точно тук към тези две червени стрелки, те сочат стойностите на здравината на екскаваторната коприна на Nephila Clavipes и Araneus Diadematus. Това са двата вида паяци, за които голяма част от времето и парите за изследването на синтетична паякова коприна, са били за репликирането на техните екскаваторни копринени протеини. И все пак техните екскаваторни коприни не са най-здравите. Всъщност най-здравата екскаваторна коприна от общия преглед е ето тази тук в тази бяла част, не на паяка тъкач на къкбовидна мрежа. Това е екскаваторната коприна на Scytodes, плюещия паяк. Scytodes изобщо не използва мрежа, за да хваща плячка. Вместо това Scytodes един вид се спотаява наоколо и чака жертвата да се приближи до него и тогава обездвижва жертвата, пръскайки с подобна на коприна отрова това насекомо. Представете си го като ловуване със смешна връв. Ето как Scytodes търси храна. Ние всъщност не знаем защо Scytodes има нужда от толкова здрав екскаватор, но неочаквани резултати като този правят биопроспекцията толкова вълнуваща и заслужаваща си. Тя ни освобождава от ограниченията на нашето въображение.

Сега ще маркирам стойността на здравината на найлоновата фибра, Bombyx - или коприната на домашната копринена буба - вълна, кевлар и въглеродни фибри. И това, което може да видите е, че почти всички паякови екскаватори ги надминават. Именно комбинацията от сила, разтегливост и здравина правят паяковата коприна толкова специална, и това е привлякло вниманието на биомиметистите, така че хората да се обърнат към природата, за да се опитат да намерят нови решения. И силата, разтегливостта и здравината на паяковата коприна, комбинирани с факта, че коприните не предизвикват имунен отговор, е привлякло много интерес в използването на паякова коприна за биомедицински приложения, например като компонент от изкуствени сухожилия, за да служат като гидове за повторното израстване на нерви и за скелета за растеж на тъкани.

Паяковата коприна също има много потенциал заради своите антибалистични способности. Коприните могат да бъдат включени в телово и бронирано оборудване, което ще бъде по-леко и пластично от която и да е броня, достъпна днес. В добавка на тези биомимични приложения на паяковата коприна, лично аз намирам изучаването на паяковата коприна просто пленително само по себе си. Обичам, когато съм в лабораторията и ново серия паякова коприна пристигне. Това е просто най-доброто. (Смях) То е все едно паяците споделят древна тайна с мен и ето защо аз ще прекарам остатъка от живота си, изучавайки паяковата коприна. Следващия път, когато видите паякова мрежа, моля, спрете и погледнете малко по-отблизо. Вие ще гледате един от най-високо производителните материали, познати на човека. Взето от написаното за един паяк, наречен Шарлот - коприната е удивителна.

Благодаря ви. (Аплодисменти)

(Аплодисменти)