Cheryl Hayashi: Velkolepost pavoučích vláken

Jsem zde, abych rozšířila vaše povědomí o tom, jak nádherní jsou pavouci a co všechno se od nich můžeme naučit. Pavouci jsou opravdovými světoobčany. Můžete je najít téměř v každé pozemské lokalitě. Tato červená tečka označuje Velkou severoamerickou pánev a já se tam s několika spolupracovníky podílím na projektu zkomajícím biologickou různorodost vysokohorských druhů. Tady je jedno z našich pracovišť v terénu, a jen pro představu, o jaký jde úhel pohledu, tato malá šmouha tady je jeden z mých spolupracovníků. Je to tvrdý a neúrodný terén, nachází se zde poměrně málo pavouků. Při obracení kamenů jsme odhalili tohoto pavouka běžníka zápasícího s broukem.

Nejenže jsou pavouci všude, ale jsou i nesmírně různorodí. Existuje přes 40 000 popsaných druhů pavouků. Abychom si uvědomili, o jaké množství jde, mám zde graf srovnávající 40 000 druhů pavouků se 400 druhy primátů. Počet pavouků je o dva řády větší než počet primátů. Pavouci jsou také nesmírně staří. Tady dole to je geologická časová osa, a ta čísla na ní ukazují miliony roků směrem do minulosti, takže nula zde představuje dnešek. Na tomto obrázku tedy vidíte, že pavouci existovali už před téměř 380 miliony let. Ve srovnání s tím, tento červený svislý pruh představuje dobu vývoje šimpanzů v lidi, před pouhými sedmi miliony let.

Všichni pavouci tkají hedvábí v určitém okamžiku svého života. Většina pavouků používá hedvábí v obrovských množstvích, a hedvábí je zásadní pro jejich přežití a rozmnožování. Dokonce pradávní pavouci mohli tkát hedvábí, jak můžeme vidět na tomto otisku snovací bradavky zkamenělého pavouka. Takže to znamená, že jak pavouci tak pavoučí hedvábí zde existují už po 380 milionů roků. Při zkoumání pavouků vám nepotrvá dlouho a povšimnete si, jaký klíčový význam má hedvábí pro pavouky v téměř v každé situaci jejich života. Pavouci používají hedvábí k mnoha účelům, patří sem tkaní záchranných vlečných vláken, obalování vajíček při rozmnožování, ochrana útulků a lov kořisti.

Existuje mnoho druhů pavoučího hedvábí. Například, tento křižák může vytvářet sedm různých druhů hedvábí. Když se díváte na tuto kruhovou pavučinu, pozorujete vlastně mnoho jednotlivých typů pavoučích vláken. Kostra a paprsky této pavučiny jsou utvořeny z jednoho typu, zatímco záchytná spirála se skládá ze dvou rozdílných vláken: ze spřádacího vlákna a z lepivých kapiček. Jak jednotliví pavouci vyrábí takové množství druhů hedvábí? Abyste mohli odpovědět, musíte se podívat mnohem blíže na oblast pavoučích snovacích bradavek. Takže, hedvábí vychází ze snovacích bradavek, a my pavučinoví biologové tomuto říkáme "pracovní konec" pavouka. (Smích) Trávíme mnoho dní... Hej! Nesmějte se. To je můj život. (Smích) Dlouhé dni a noci trávíme zíráním na tuto část pavouka. A tohle je to, co vidíme. Můžete zahlédnout několik pramínků vycházejících ze snovacích bradavek, protože každá bradavka má na sobě mnoho vývodů. Z každého vývodu vystupuje jeden pramen vlákna, a pokud byste sledovali cestu pramene směrem do těla pavouka, zjistili byste, že každý vývod je propojený se svou vlastní snovací žlázou. Žláza vypadá trochu jako váček naplněný spoustou proteinů pro tvorbu vláken. Takže pokud jste někdy měli příležitost kuchat pavouka tkajícího kruhovou pavučinu, a já doufám, že ano, našli byste mimořádné množství krásných, průsvitných snovacích žláz.

Uvnitř každého pavouka jsou stovky snovacích žláz, někdy i tisíce. Ty můžeme seskupit do sedmi kategorií. Odlišují se velikostí, tvarem, a někdy dokonce i barvou. U pavouků, kteří tkají kruhové pavučiny, najdete sedm typů snovacích žláz, a to, co jsem tu znázornila na obrázku, začněme v pozici na jedné hodině, to jsou cylindrické žlázy, které se užívají k výrobě vnějších vláken obalu vajíčka. Agregátní a nitkovité snovací žlázy dohromady tvoří lepkavé, zachytávací spirální vlákno kruhové sítě. Pyriformní žlázy vytváří přídržné pojivo -- to je ono hedvábí, které se užívá k přilepení hedvábných vláken k podkladu. Existuje také aciniformní hedvábí, které se používá k obalení kořisti. Vedlejší ampulární hedvábí se používá ke stavbě. A nejvíce studovaná řada hedvábí ze všech: hlavní ampulární hedvábí. Toto je ten druh hedvábí, který se užívá k sestavení nosného rámu a paprskových vláken kruhové sítě, a také k výrobě záchranného vlečného vlákna.

Ale co přesně je pavoučí hedvábí? Pavoučí hedvábí je téměř celé z proteinů. Skoro všechny tyto proteiny můžeme objasnit pomocí jediné rodiny genů, takže to znamená, že rozmanitost typů hedvábných vláken, které dnes známe, je zakódováno v jedné rodině genů, podle všeho původní předek pavouka vyráběl jeden druh hedvábí a za posledních 380 milionů let, byl onen jeden gen kopírován a pak zase dělen, ozvláštňován, znovu a znovu a opět, aby vznikla ta ohromná pestrost druhů pavoučího hedvábí, které dnes máme. Je několik charakteristických vlastností, které jsou společné všem druhům hedvábí. Všechny mají společnou konstrukci, všechny jsou velmi dlouhé -- jsou jaksi výstředně protažené ve srovnání s jinými bílkovinami. Mnohonásobně se opakují a jsou velmi bohaté na aminokyseliny glycin a alanin. Abyste si udělali představu, jak vypadá pavoučí bílkovina hedvábí, toto je bílkovina hedvábného vlečného vlákna, je to jen její část, z pavouka černá vdova. Toto je druh posloupnosti, kterou si ráda prohlížím ve dne v noci. (Smích)

Takže, to co zde právě vidíte, jsou jednoznakové zkratky aminokyselin, a já už jsem obarvila glyciny na zeleno a alaniny na červeno, a tak můžete vidět, že je to jen spousta Géček a Áček. Můžete také vidět množství krátkých sekvenčních motivů, které se znovu a znovu opakují, a opět, takže se například opakuje mnoho těch, které nazýváme polyalaniny, neboli opakovaná Áčka, AAAAA. Jsou tu GGQ. A GGY. Můžete přemýšlet o těchto krátkých znovu a znovu se opakujících motivech jako o slovech, a tato slova se objevují ve větách. Takže například tohle by byla jedna věta, a vy byste dostali tuhle zelenou oblast a ten červený polyalanin, který se opakuje znovu a znovu a opět, a těch opakování můžete mít ony stovky a stovky a stovky uvnitř každé molekuly hedvábí.

Hedvábí vyrobené tím samým pavoukem může mít dramaticky různé posloupnosti opakování. V horní části obrazovky právě vidíte jednotku opakování z vlečného vlákna hedvábí zahradního křižáka. Je krátká. A dole to je jednotka opakování obalu vajíčka, neboli protein cylindrického hedvábí, přesně toho samého pavouka. A můžete vidět, jak dramaticky odlišné jsou tyhle proteiny hedvábí -- tak tohle je druh té krásné různorodosti rodiny hedvábných pavoučích genů. Můžete vidět, že se jednotky odlišují délkou. Také se liší v posloupnosti. Takže jsem zase obarvila glyciny zeleně, alaniny červeně a sericiny, pod písmenem S, fialově. A vy můžete vidět, že horní jednotku můžeme téměř celou vyjádřit pomocí zelené a červené, a že spodní jednotka má značné množství fialové. To, o co se my pavučinoví biologové snažíme, je nalézt vztah těchto posloupností, těchto posloupností aminokyselin, a mechanických vlastností hedvábných vláken.

Velká výhoda je, že pavouci užívají svoje hedvábí zcela mimo svoje těla. Toto opravdu velmi ulehčuje testování pavoučího hedvábí v laboratoři, protože víte, my vlastně testujeme ve vzduchu, který je přesně tím prostředím, ve kterém pavouci užívají svoje hedvábné bílkoviny. Velmi přístupné je tak určování vlastností hedvábí pomocí metod jako je zkouška tahem, která je, víte, v podstatě popotahováním za jeden konec vlákna. Zde jsou křivky závislosti deformace na napětí generované při zkoušce tahem na pěti vláknech produkovaných tím samým pavoukem. Tak to co tu teď můžete spatřit, jsou různá chování pěti vláken. Konkrétně, pokud se podíváte na svislou osu, to je napětí. Pokud se podíváte na maximální hodnotu napětí u každého z těchto vláken, zpozorujete značné rozdíly, a že je vlastně vlečné vlákno, neboli hlavní ampulární hedvábí, tím nejsilnějším z těchto vláken. Myslíme si, že je tomu tak proto, že je zapotřebí, aby hedvábí vlečného vlákna, které se užívá k výrobě rámu a paprsků pavučiny, bylo velmi silné.

Na druhou stranu, pokud jste pozorovali deformaci -- to znamená to, jak dalece je schopno se vlákno natáhnout -- pokud se podíváte na maximální hodnotu zde, opět jsou tu velké rozdíly a jasným vítězem je nitkovité, neboli záchytné spirálové vlákno. Ve skutečnosti, toto nitkovité vlákno může vlastně více než dvakrát zvětšit svou původní délku. Tak se hedvábná vlákna liší svou pevností a také svou roztažitelností. V případě záchytné spirály, ta musí být natolik roztažitelná, aby utlumila náraz letící kořisti. Pokud by nebyla schopná se tak natáhnout, pak v podstatě ve chvíli, kdy hmyz narazí do pavučiny, stala by se z ní přímo trampolína. Takže pokud by byla pavučina vyrobená celá z vlečného vlákna, hmyz by se velmi pravděpodobně hned jenom odrazil. Ale tím, že je záchytné spirální hedvábí opravdu velmi roztažitelné, síť je opravdu schopná vstřebat dopad zachycené kořisti.

Jednotliví pavouci mohou složení uvnitř vláken docela hodně obměňovat. Říkáme tomu pavoučí souprava nářadí. Jeho prostřednictvím pavouk musí ovlivňovat svoje prostředí. A co takhle rozdíly mezi pavoučími druhy, jak při pohledu na jeden typ hedvábí, tak při pohledu na rozdílné druhy pavouků? To je široce neprobádaná oblast, přesto jsou tu nějaká data, která vám mohu ukázat. Toto je srovnání houževnatosti vlečného vlákna, upředeného jednadvaceti druhy pavouků. Některé druhy pavouků tkají kruhové pavučiny a jiné druhy zase ne. Předpokládá se, že pavouci tkající kruhové pavučiny, jako je tady tento křižák, by měli mít ta nejpevnější hedvábí vlečných vláken, protože musí zachytávat letící kořist. Zde na tomto grafu pevnosti vidíte, že čím výše je v grafu černý bod, tím vyšší je houževnatost.

Těch 21 druhů je zde naznačeno prostřednictvím fylogeneze, vývojovým stromem, který ukazuje jejich vývojové vazby, a já jsem obarvila pavouky tkající kruhové pavučiny žlutou barvou. Když se podíváte přímo sem na ty dvě červené šipky, míří na hodnoty houževnatosti vlečných vláken nefily kyjonohé a křižáka obecného. Jsou to tyto dva druhy pavouků, kterým byla věnována většina času a peněz na výzkum umělého pavoučího hedvábí za účelem zkopírování bílkovin jejich hedvábí. Přesto, jejich vlečná vlákna nejsou ta nejhouževnatější. Vlastně, nejhouževnatější vlečné vlákno v tomto přehledu je právě tady v té bílé oblasti, u pavouka netkajícího kruhové pavučiny. Je to vlečné vlákno utkané lepovkou, plivajícím pavoukem. Lepovka k chytání kořisti vůbec nepoužívá pavučinu. Místo toho se skrývá někde poblíž a čeká na kořist, až se dostane blíže k ní a pak kořist znehybní vystříknutím hedvábí podobnému jedu. Představte si lov slabou pružinou. To je způsob, jakým lepovka shání potravu. Opravdu nevíme, proč lepovka potřebuje tak pevné vlečné vlákno, ale neočekávané výsledky jako tento dělají bio-výzkum tak vzrušující a proč stojí za námahu. Uvolňuje to bariéry naší představivosti.

Nyní poznamenám něco k hodnotám houževnatosti nylonového vlákna, hedvábí bource -- neboli zdomácnělého bource morušového -- vlny, Kevlaru a uhlíkových vláken. A to co tady můžete pozorovat je, že je skoro všechna pavočí vlečná vlákna překonávají. Je to kombinace pevnosti, roztažitelnosti a houževnatosti, která způsobuje, že je pavoučí hedvábí tak mimořádné a že přitáhlo pozornost biomimetiků, lidí, kteří se obracejí k přírodě, aby v ní zkoušeli nalézt nová řešení. A pevnost, roztažitelnost a houževnatost pavoučího hedvábí společně se skutečností, že hedvábí nevyvolává nepříznivé imunitní reakce, přitáhlo spoustu zájmu o použití pavoučího hedvábí v biomedicíně, například jako součást umělých šlach, slouží jako vodiče pro obnovu nervových vláken a jako podpora při růstu tkání.

Pavoučí hedvábí má také velké možnosti využití pro svoje protibalistické schopnosti. Hedvábí by mohlo být začleněno do neprůstřelných vest a zařízení obrněných jednotek, která by byla lehčí a pružnější než jakýkoliv dnes dostupný pancíř. Kromě těchto biomimetických uplatnění pavoučího hedvábí, já osobně shledávám studium pavoučího hedvábí prostě okouzlujícím samo o sobě. Jsem ráda, když jsem v laboratoři a nastupuje nová posloupnost pavoučího hedvábí. To je prostě nejlepší. (Smích) Je to jako když se se mnou pavouci dělí o dávné tajemství, a proto hodlám strávit zbytek svého života studiem pavoučího hedvábí. Až příště uvidíte pavučinu, zastavte se prosím a podívejte se trochu blíže. Uvidíte jeden z nejvýkonnějších materiálů, který člověk poznal. Abych si vypůjčila ze spisu o pavoukovi jménem Charlotte, (dětský román Šarlotina pavučina - pozn. překl.) hedvábí je velkolepé.

Děkuji vám. (Potlesk)

(Potlesk)