שריל הייאשי: נפלאות קורי העכביש

אני כאן כדי להפיץ את הבשורה בדבר נפלאות העכבישים וכמה אנחנו יכולים ללמוד מהם. עכבישים הם באמת אזרחים גלובליים. אתם יכולים למצוא עכבישים כמעט בכל בית-גידול יבשתי. הסימנים הללו בצבע אדום הם האגן הגדול של צפון אמריקה, ואני עוסקת בפרוייקט המגוון הביולוגי האלפיני שמתבצע שם עם כמה שותפים. הנה אחד מאתרי השדה שלנו, ורק כדי לתת לכם פרספקטיבה, הכתם הכחול הקטן כאן, הוא אחד מהשותפים שלי. זהו נוף סלעי צחיח, אם עם זאת יש כאן לא מעט עכבישים. הפיכת אבנים חשפה את עכביש הסרטן הזה מתמודד עם חיפושית.

עכבישים הם לא רק בכל מקום, הם גם מגוונים מאוד. ישנם מעל 40,000 מינים מתועדים של עכבישים. כדי לשים את המספר הזה בפרספקטיבה, הנה גרף המשווה את 40,000 המינים של עכבישים אל 400 המינים של יונקים-עילאיים. ישנם שני סדרי גודל יותר עכבישים מאשר יונקים-עילאיים. עכבישים הם גם ותיקים מאוד. בתחתית כאן זהו לוח זמנים גיאולוגי, והמספרים בו מציינים מיליונים של שנים מן ההווה, כך שהאפס פה, זה יהיה היום. אז מה שהנתון הזה מראה הוא כי עכבישים מתוארכים אחורנית לכמעט 380 מיליון שנים. כדי לשים את זה בפרספקטיבה, העמודה האדומה כאן מייצגת את ההסתעפות של המין האנושי מן השימפנזים, בסך הכל לפני שבעה מיליון שנה.

כל העכבישים מפיקים קורים בשלב מסוים במהלך חייהם. רוב העכבישים משתמשים בכמויות נדיבות של קורים, וקורים חיוניים להשרדותם ולרבייה שלהם. אפילו עכבישים מאובנים יכולים להפיק קורים, כפי שניתן לראות מן ההטבעה הזו של איבר הפקת הקורים של העכביש המאובן הזה. אז זה אומר שגם עכבישים וגם קורי עכביש נמצאים כאן כבר 380 מיליון שנים. זה לא לוקח הרבה זמן כשעובדים עם עכבישים להתחיל לשים לב עד כמה הקורים חיוניים לכמעט כל היבט של חייהם. עכבישים משתמשים בקורים למטרות רבות, ובכלל זה חוט הנפה בטיחותי, עטיפת ביצים לצורך רבייה, מקום מפלט מוגן ולכידת טרף.

ישנם סוגים רבים של קורי עכביש. לדוגמה, עכביש הגינה הזה יכול להפיק שבעה סוגי שונים של קורים. כשאתם מביטים על רשת הקורים הזו, אתם למעשה רואים סוגים רבים של סיבי קור. המסגרת והחישורים של הרשת הזו עשויים מסוג אחד של קור, בעוד שספירלת הלכידה מורכבת משני קורים שונים: הסיב והטיפה הדביקה. איך יכול עכביש בודד להפיק כל כך הרבה סוגים של קורים? כדי לענות על זה, צריך להתבונן הרבה יותר קרוב באזור הפקת הקורים של עכביש. ובכן הקורים יוצאים מאיבר הפקת הקורים, ולאלה מאיתנו שהינם ביולוגים של קורי עכביש, זה מה שאנו מכנים "הצד העסקי" של העכביש. (צחוק) אנחנו מבלים ימים ארוכים ... היי! אל תצחקו. אלה החיים שלי. (צחוק) אנחנו מבלים ימים ולילות ארוכים בלבהות בחלק זה של העכביש. וזה מה שאנו רואים. אתם יכולים לראות סיבים מרובים יוצאים מאיבר הפקת הקורים, מפני שעל כל איבר כזה ישנם ברזים רבים. כל אחד מן הסיבים הללו יוצא מהברז, ואם הייתם מתחקים אחר מוצא הסיבים לתוך העכביש, מה שהייתם מוצאים זה שכל אחד מן הברזים מתחבר לבלוטת הפקת קורים. בלוטת הפקת קורים נראית כמו שקיק שבתוכו תקועים הרבה חלבוני קורים. אז אם אתם אי פעם תהיה לכם ההזדמנות לנתח עכביש שטווה רשתות, ואני מקווה שתהיה לכם, מה שהייתם מוצאים הוא שפע של בלוטות קורים שקופות ויפות.

בתוך כל עכביש, יש מאות בלוטות קורים, לפעמים אלפים. את אלה ניתן לקבץ לשבע קטגוריות. הם נבדלות זו מזו בצורה, בגודל, ולפעמים אפילו בצבע. בעכביש שטווה רשתות, תוכלו למצוא שבעה סוגים של בלוטות קורים, ומה שאני מציגה כאן בתמונה הזו, בואו נתחיל במיקום של השעה אחת, יש בלוטות קורים בצורת צינורית, שמשמשות להפקת הקורים החיצוניים לשקיק הביצים. יש את בלוטות הקורים דמויות הגוש ודמויות השוט המפיקות במשותף את רשת הקורים הדביקה המשמשת ללכידה. בלוטות קורים בתצורת אגס מפיקות את חומר ההדבקה - אלה הקורים שמשתמשים להצמדת קורים אל המצע. יש גם קורים דמויי אשכול, בהם נעשה שימוש בכריכת הטרף. קור משני דמוי בקבוק משמש לבניית רשתות. וסיב הקורים הנחקר ביותר הוא הקור הגדול דמוי הבקבוק. זהו הקור המשמש להכנת המסגרת והחישורים של הרשת וכן את חוט ההנפה הבטיחותי הנגרר.

אבל מה הוא בדיוק קור העכביש? קור העכביש הוא כמעט כולו חלבון. ניתן לשייך כמעט את כל החלבונים האלה למשפחת גנים אחת, וזה אומר כי המגוון של סוגי הקורים שאנו רואים היום מקודד על ידי משפחת גנים אחת, כך שניתן להניח שהאב הקדמון המקורי של העכבישים הפיק סוג אחד של קורים, ובמהלך 380 מיליון השנים האחרונות, גן הקורים הבודד הזה שוכפל ואז התפצל והתמחה שוב ושוב ושוב, כדי לקבל את המגוון הרחב של של סוגי קורי העכביש שיש לנו היום. ישנן מספר תכונות שלכל הקורים הללו יש במשותף. לכולם יש עיצוב דומה כך, כולם ארוכים מאוד - הם ארוכים בצורה משונה בהשוואה לחלבונים אחרים. יש בהם חזרות מרובות והם עשירים מאוד בחומצות האמינו גליצין ואלאנין. כדי לתת לכם מושג כיצד נראה חלבון של קור עכביש, זהו החלבון של קור ההנפה, זה רק חלק ממנו, מעכביש האלמנה השחורה. זהו סוג של רצף שבו אני אוהבת להסתכל יום ולילה. (צחוק)

אז מה שאתם רואים כאן הוא אות אחת קיצור של חומצות אמינו, ואני צבעתי את הגליצינים בירוק, ואת האלאנינים באדום, וכך אתם יכולים לראות שפשוט יש כאן הרבה G ו-A. ניתן גם לראות שיש הרבה צירופי רצפים קצרים שחוזרים שוב ושוב ושוב, כך למשל יש הרבה מה שאנו מכנים פוליאלאנינים, או A מחזורית, AAAAA. יש GGQ. יש GGY. אתם יכולים לחשוב על המוטיבים הקצרים הללו שחוזרים שוב ושוב כמו מילים, והמילים הללו מופיעות במשפטים. כך למשל זה יהיה משפט אחד, ותקבלו מן סוג כזה של איזור ירוק ואת הפוליאלאנין האדום, שחוזר שוב ושוב ושוב, ואתם יכול למצוא את זה מאות רבות של פעמים בתוך מולקולה יחידה של קור.

קורים שהופקו על ידי אותו עכביש יכולים להכיל רצפים שונים באופן דרמטי. בחלק העליון של המסך, אתם רואים מקטע שחוזר על עצמו מתוך קור ההנפה של עכביש גינה ארגיופי. זה קצר. ובתחתית, זהו רצף חוזר של מארז ביצים, או חלבון קורים דמוי צינורית, של אותו עכביש בדיוק. ואתם יכולים לראות איזה הבדל דרמטי יש בין חלבוני הקורים האלה - אז זה היופי של הגיוון של משפחת הגנים של קורי העכביש. ניתן לראות כי מקטעים חוזרים נבדלים באורך. הם גם שונים ברצף. אז צבעתי שוב את הגליצינים בירוק, אלאנין באדום, ואת הסרינים, האות S, בסגול. ואתם יכולים לראות כי היחידה העליונה שחוזרת על עצמה יכולה להיות מתוארת כמעט לחלוטין על ידי ירוק ואדום, וליחידה בתחתית שחוזרת על עצמה יש כמות משמעותית של סגול. מה שעושים ביולוגים של קורים - אנחנו מנסים לשייך לרצפים האלה, לרצפים של חומצות אמיניות את התכונות המכניות של סיבי הקורים.

עכשיו, זה ממש נוח שעכבישים משתמשים בקורים שלהם לחלוטין מחוץ לגופם. זה הופך את הבדיקות של קורי העכביש למאוד מאוד פשוטות לביצוע במעבדה, כיוון שאנחנו בעצם, אתם יודעים, מבצעים את בדיקות באוויר שזו בדיוק הסביבה שבה עכבישים משתמשים בחלבוני הקורים שלהם. אז זה הופך את המדידה הכמותית של תכונות הקורים באמצעות שיטות כגון בדיקות מתיחה, אשר בעצם, אתם יודעים, מושכים בקצה אחד של הסיב, לנוחה מאוד. הנה עקומות לחץ-מתיחה שנוצרו על ידי מבחני מתיחה של חמישה סיבים שהופקו על ידי אותו עכביש. אז מה שאתם רואים כאן הוא שלחמישה הסיבים יש התנהגויות שונות. באופן ספציפי, אם תתבוננו בציר האנכי, זה הלחץ. אם אתם מסתכלים על מקסימום הלחץ עבור כל אחד מהסיבים האלה, תוכלו לראות שיש הרבה גיוון, ולמעשה קור ההנפה, או הקור הגדול דמוי הבקבוק, הוא החזק ביותר מבין הסיבים האלה. אנחנו חושבים שזה בגלל שקור ההנפה, אשר משמש לבניית המסגרת והחישורים של הרשת, צריך להיות חזק מאוד.

מצד שני, אם הייתם מסתכלים על המתיחה - זה כמה שסיב יכול להתארך אם תסתכלו על הערך המירבי כאן שוב, יש מגוון רחב והמנצח הברורה הוא הקור דמוי שוט, או הסיב הספירלי שמשמש ללכידה. למעשה, הסיב הזה דמוי השוט יכול להמתח ללמעלה מפעמיים אורכו המקורי. אם כן, סיבים של קורים מגוונים באשר לחוזקם וכן באשר ליכולת המתיחה שלהם. במקרה של ספירלת הלכידה, הקור צריך להיות כה גמיש כך שיוכל לספוג את הפגיעה טרף מעופף. אלמלא הוא היה מסוגל להמתח כל כך הרבה, אז בעצם כאשר חרק היה פוגע ברשת, הוא היה מנתר ממנה מייד בחזרה. אז אם הרשת היתה עשויה כולה מקורי ההנפה, ייתכן מאוד שחרק היה פשוט נזרק ממנה מייד. אבל רשת שעשויה ממש ממש מקורי ספירלה גמישים ללכידה, הרשת יכולה למעשה לספוג את הפגיעה של אותו טרף שנלכד.

יש מגוון לא מבוטל של סיבים שעכביש בודד יכול להפיק. אנו קוראים לזה ערכת כלי העבודה של העכביש. זה מה שיש לעכבישים לפעול בתוך סביבתם. אבל מה לגבי ההבדלים בין מינים שונים של עכבישים, כשבוחנים סוג אחד של קורים בקרב מינים שונים של עכבישים? זהו תחום שבחלקו הגדול עדיין לא נחקר אבל הנה קצת נתונים שאני יכולה להראות לכם. זוהי השוואה של קשיחות קורי ההנפה שנטוו על ידי 21 מינים של עכבישים. חלקם עכבישים טווי רשתות וחלקם עכבישים שאינם טווים רשתות. הועלתה השערה לפיה עכבישים טווי רשתות, כמו הארגיופי שנראה כאן, צריכים להיות בעלי קורי ההנפה הקשיחים ביותר משום שהם חייבים ליירט טרף מעופף. מה שאתם רואים כאן על גרף הקשיחות הזה הוא ככל שהנקודה השחורה גבוהה יותר על גבי הגרף, כך הקשיחות גבוהה יותר.

21 המינים מסומנים כאן באמצעות תרשים תולדות הגזע, זה העץ האבולוציוני, המציג את היחסים הגנטיים שלהם, ואני סימנתי בצהוב את העכבישים טווי הרשתות. אם תתבוננו בדיוק לכאן על שני החצים האדומים, הם מצביעים על ערכי הקשיחות של קורי ההנפה של נפילה קלוויפס וכן של ארנאוס דיאדמטוס. אלה הם שני מינים של עכבישים שביחס אליהם הרוב המכריע של זמן וכסף הוצא על מחקר קורי עכביש סינתטיים בנסיון להעתיק את חלבוני קור ההנפה שלהם. עם זאת, קורי ההנפה שלהם הם לא הקשיחים ביותר. למעשה, קור ההנפה הקשיח ביותר בסקר הזה הוא זה כאן באזור הלבן הזה, של עכביש שאינו טווה רשתות. זהו קור גרירה שנטווה על ידי סקייטודיס, העכביש היורק. סקייטודיס כלל לא משתמש ברשת בכדי לתפוס טרף. במקום זאת, סקייטודיס מבצע מעין מארבים סביב וממתין לטרף שיתקרב אליו, ואז הוא משתק את הטרף באמצעות ריסוס ארס דמוי קור על החרק הזה. תחשבו על ציד עם תרסיס של חוטי קצף. כך סקייטודיס תר אחר מזון. אנחנו לא באמת יודעים מדוע סקייטודיס זקוק לקורי הנפה קשיחים כל כך, אבל תוצאות לא צפויות מעין אלה הופכות את מחקר האיתור-הביולוגי לכל כך מרגש וכדאי. הוא משחרר אותנו מן המגבלות של הדמיון שלנו.

עכשיו אני עומדת לסמן את ערכי הקשיחות של סיב ניילון, בומביקס - סיבי משי של תולעי משי מבויתות - צמר, קוולאר וסיבי פחמן. ומה שאתם יכולים לראות הוא שכמעט כל קורי ההנפה העכבישיים עולים עליהם. זה שילוב של חוזק, יכולת מתיחה וקשיחות שעושה את קורי העכביש לכל כך מיוחדים, וזה משך את תשומת הלב של חוקרים מתחום הביוממטיקה, אנשים שפונים אל הטבע בכדי לנסות למצוא פתרונות חדשים. והחוזק, כושר המתיחה והקשיחות של קורי העכביש, בשילוב עם העובדה שקורים לא מעוררים תגובת-נגד חיסונית, משכו עניין רב בשימוש בקורי עכביש ביישומים ביו-רפואיים, למשל, כמרכיב של גידים מלאכותיים, שמשמשים לניתוב צמיחה מחדש של עצבים וכן בתור פיגומים לצמיחה של רקמות.

לקורי העכביש יש גם פוטנציאל רב בשל היכולת האנטי-בליסטית שלהם. קורים יכולים להיות משולבים בתוך הגוף ובציוד מיגון שיהיה קל וגמיש יותר מכל אמצעי מיגון שקיים היום. בנוסף ליישומים הביוממטיים הללו בקורי העכביש, באופן אישי, אני מוצאת שלחקור קורי עכביש זה פשוט מרתק בפני עצמו. אני אוהבת כשאני במעבדה, ומגיע רצף חדש של קורי עכביש. זה פשוט החלק הכי טוב. (צחוק) זה כאילו שהעכבישים חולקים איתי סוד עתיק, וזו הסיבה שאני אבלה את שארית חיי בחקר קורי עכביש. בפעם הבאה שאתם רואים רשת קורי עכביש, אנא, עצרו והביטו קצת יותר מקרוב. אתם תראו את אחד מהחומרים בעלי הביצועים הגבוהים ביותר הידועים לאדם. ואם נצטט מן הכתבים של עכבישה בשם שרלוט, קורים הם נפלאים.

תודה. (מחיאות כפיים)

(מחיאות כפיים)