Cheryl Hayashi: Măreția mătăsii de păianjen

Ma aflu aici sa va dezvalui maretia paianjenilor si despre cat de multe lucuri putem invata de la acestia. Paianjenii sunt cu adevarat cetateni ai intregului glob. Putem descoperi paianjeni in aproape orice habitat terestru. Punctele acestea rosii marcheaza Marele Bazin al Americii de Nord, si sunt implicata acolo intr-un proiect despre biodiversitatea alpina impreuna cu alti colaboratori. Iata unul dintre siturile noastre asta numai ca sa va dau o idee, pata asta mica si albastra, reprezinta unul dintre colaboratorii mei. Acesta este un tinut aspru si steril, cu toate astea, cativa paianjeni tot se gasesc. Cautand sub stanci am gasit acest paianjen-crab luandu-se la tranta cu un gandac.

Paianjenii nu numai ca exista pretutindeni, dar sunt si extrem de diversi. Exista peste 40.000 de specii de paianjeni atestate. Pentru a privi acest număr dintr-o altă perspectivă iata un grafic care compara cele 40.000 de specii de paianjeni cu cele 400 de specii de primate. Sunt de o suta de ori mai multe specii de paianjeni decat de primate. Paianjenii sunt de asemenea foarte vechi. La baza aici, avem scala erelor geologice, iar numerele de deasupra indica milioanele de ani plecand din prezent spre trecut, prin urmare acest zero reprezinta ziua de azi. Deci, ceea ce acest tabel vrea sa arate este ca paianjenii dateaza de aproape 380 de milioane de ani. Ca sa avem o imagine mai clara, aceasta bara verticala de aici arata evolutia oamenilor plecand de la cimpanzei, abia acum sapte milioane de ani.

Toti paianjenii produc matase de-a lungul vietii lor. Cei mai multi dintre paianjeni utilizeaza o mare cantitate de matase, iar matasea este esentiala pentru supravietuirea acestora si pentru reproducere. Pana si un paianjen fosila putea produce matase, dupa cum se vede din amprenta organelor filiere acestui paianjen fosila. Deci asta inseamna ca atat paianjenii cat si matasea lor exista de 380 de milioane de ani incoace. Nu e nevoie sa lucrezi mult timp cu paianjenii ca sa realizezi cat de esential este firul de matase in aproape fiecare dintre aspectele vietii lor. Paianjenii utilizeaza firul in multe scopuri, acestea incluzand firul de deplasare - ca și coardă de siguranță, impachetarea coconilor pentru reproducere, costructia refugiilor de protectie si prinderea prazii.

Exista multe tipuri de matase de paianjen. De exemplu, acest paianjen de gradina poate sa produca sapte tipuri de matase diferite. Cand va uitati la aceasta panza de paianjen circulara, de fapt vedeti mai multe tipuri de fibre de matase. Scheletul si razele panzei de paianjen sunt realizate dintr-un anumit tip de matase, pe cand spiralele sunt realizate dintr-o compozitie a doua tipuri diferite de matase: filamentul si un mic strop de lipici. Cum poate un singur paianjen sa produca atat de multe tipuri de matase? Ca sa putem raspunde, trebuie sa privim mult mai indeaproape la regiunea organelor filiere a paianjenului. Prin urmare, matasea iese din organul filier si pentru noi biologii, acesta este ceea ce noi numim partea dorsala a paianjenului. (Rasete) Asteptam zile intregi... Hei! Nu radeti! Asta mi-e viata. (Rasete) Stam zile si nopti intregi uitandu-ne la partea dorsala a paianjenului. Si asta e ceea ce vedem. Putem vedea fibre multiple iesind din oganul filiere, pentru ca fiecare organ filier contine mai mule supape . Fiecare dintre aceste fibre de matase ies prin supape, si daca ar fi sa mergeti pe urma firului inauntru in corpul paianjenului, veti observa ca fiecare supapa este conectata la propria sa glanda Glanda arata ca un saculet plin cu proteine indesate inauntru. Deci, daca veti avea vreodata posibilitatea sa disecati un paianjen tesator de panza sferica si sper ca veti avea posibilitatea, ceea ce veti gasi inauntru, in mod recompensator, sunt glandele de matase frumoase si translucide.

In fiecare paianjen, exista sute de glande de matase, uneori mii. Acestea pot fi grupate in sapte categorii. Ele se deosebesc prin marime, forma si uneori chiar culoare. Intr-un paianjen de panza circulara, putem gasi sapte tipuri de glande de matase si este ceea ce vreau sa va arat in aceasta imagine, sa incepem cu pozitia 1, gasim aici matasea gladulei tubiliformes care sintetizeaza matasea pentru fabricarea matasii exterioare a coconilor pentru oua. Exista matasea gladulei aggregata si matasea glandulei flageliform care se combina in scopul de a aplica prin lipire spiralele pe scheletul panzei. Matasea glandulei pyriformes sintetizeaza fire pentru fixarea panzei- aceasta e matasea care e utilizata pentru aderarea firelor de matase la o reactie chimica. Gasim, de asemenea, gladula matasei aciniformes care este utilizata pentru a infasura prada. Matasea ampulei minore este folosita in contructia panzei. Dar cel mai studiat fir de matase dintre toate este ampula majora de matase Aceasta reprezinta matasea din care e realizat scheletul si radiile unei panze circulare, si de asemenea firul de deplasare.

Dar ce anume inseamna matasea paianjenului? Matasea paianjenului este proteina aproape in intregime. Aproape toate aceste proteine pot fi explicate printr-o singura gena familiala, deci asta inseamna ca diversitatea tipurilor de matase pe care o observam azi este criptata intr-o singura gena familiala deci in mod prezumtiv, paianjenul ancestral producea un singur tip de matase si de-a lungul a peste 380 de milioane de ani aceasta unica gena de matase s-a divizat, apoi a creat divergente, apoi s-a specializat, iarasi si iarasi si iarasi pana a ajuns la aceasta varietate a matasei de paianjen pe care o observam azi. Exista o serie de trasaturi pe care aceste tipuri de matase le au in comun. Toate au un aspect comun, in sensul ca toate sunt foarte lungi- adica sunt neobisnuit de lungi in comparatie cu alte proteine. Sunt foarte repetitive si foarte bogate in aminoacizi, glicine si alanine. Ca sa va dau o idee despre cum arata proteina din matasea paianjenului, acesta este un fir de deplasare si e doar o bucatica preluata de la o vaduva neagra. Asta este genul de secventa la care-mi place sa ma uit zi si noapte. (Rasete)

Deci ceea ce vedeti aici este o abreviere pentru aminoacizi si am colorat glicinele in verde, si alaninele in rosu, astfel puteti vedea ca exista o multime de G-uri si A-uri Puteti de-asemenea sa observati ca exista si secvente mai scurte care se repeta mereu de exemplu exista o multime de ceea ce noi numim poli alanine, sau notate cu AAAAA. Exista GGQ. Exista GGY. Luati aminte la aceste modele care se repeta iar si iar ca si cuvinte, iar aceste cuvinte apar in propozitii. De exemplu, aceasta ar putea fi considerata o propozitie si atunci vom avea acest tip de zona verde iar polianinele rosii, care se repeta iar si iar si iar din nou. apoi putem avea acest lucru de sute si sute si sute de ori in interiorul unei singure molecule de matase.

Matasea produsa de acelasi paianjen poate avea in mod remarcabil, diferite secvente repetitive. In partea de sus a ecranului, puteti vedea unitatea repetitiva a firului de matase pentru deplasare a unui paianjen de gradina. E scurt. Iar in partea de jos aceasta reprezinta secventa repetitiva pentru matasea folosita in fabricarea coconilor pentru oua a aceluiasi paianjen. Si atunci puteti observa cat de diferite sunt aceste proteine de matase - deci asta reprezinta un fel de frumusete a diversitatii familiei genelor de matase a paianjenilor. Puteti observa ca unitatile repetitive difera ca lungime. Ele difera si ca secvente. Deci am colorat glicinele din nou in verde, alaninele in rosu, iar sericinele, litera S, in mov. Puteti observa ca unitatea repetitiva din partea de sus poate fi explicata aproape in intregime prin verde si rosu, iar unitatea repetitiva din partea de jos are o substantiala cantitate de mov. Ceea noi biologii matasii facem este ca incercam sa asociem aceste secvente de aminoacizi cu proprietatile mecanice ale fibrelor de matase.

Deci este foarte convenabil ca paianjenii isi utilizeaza matasea complet in afara corpului. Acest lucru face ca testarea matasii paianjenului sa fie foarte usor de realizat in laborator, pentru ca de fapt, stiti, noi o testam in aer care este exact mediul in care paianjenii isi utilizeaza proteinele matasei. Așadar așa se pot cuantifica proprietățile mătăsii prin metode precum testarea elasticitatii, care inseamna de fapt, dupa cum stiti, tragerea firului de la unul dintre capete, extrem de maleabilă. Aici avem graficul curbelor de efort generate de testarea elasticitatii a cinci fibre produse de acelasi paianjen. Deci ceea ce puteti vedea aici este ca aceste 5 fibre se comporta diferit. Mai ales, daca va uitati pe axa verticala, legata de efort. Daca va uitati la valoarea maxima a efortului pentru fiecare dintre aceste fibre, veti observa ca exista multe oscilatii, ca de fapt firul de deplasare, ori firul de matase principal, este cel mai puternic dintre toate aceste fibre. Cosideram acest lucru fiindca firul de deplasare care este utilizat pentru a construi scheletul si radiile unei panze, trebuie sa fie foarte puternic.

Pe de alta parte, daca e sa ne uitam la capacitatea de intindere, daca ne uitam la valoarea maxima de aici, din noi, gasim multe oscilatii iar pe deplin castigator este gladula flageliform sau captura filamentului spiralei. De fapt, fibra flageliforma poate sa se intinda de fapt de doua ori decat lungimea sa originala Deci fibrele de matase variaza in functie de taria dar si de extensibilitatea lor. In cazul captarii spiralei trebuie sa fie elastica pentru a absorbi impactul cu prada zburatoare. Daca nu ar fi capabila sa se intinda atat de mult, atunci de fapt, cand o insecta se izbeste de panza aceasta ar proiecta-o imediat inapoi. Deci, daca panza ar fi facuta in intregime din din fire pentru deplasare, ar fi foarte probabil ca o insecta sa ricoseze de pe ea. Dar avand matase foarte, foarte elastica pentru captura spiralei, panza este de fapt capabila sa absoarba impactul prazii interceptate.

Exista o anumita variatie in ceea ce priveste fibrele pe care un paianjen e in stare sa le produca. Noi numim asta trusa de unelte a paianjenului. Asta este ceea ce paianjenul detine pentru a interactiona cu mediul sau. Ce-ar fi sa vorbim despre variatia dintre speciile de paianjen, adica analizand un anumit timp de matase, de la diferite specii de paianjeni? Aceasta este o zona care e inca neexplorata dar exista cateva informatii pe care vi le pot arata. Aceasta este o comparare a rezistentei firului de deplasare obtinut de la 21 de specii de paianjeni. Unii dintre ei isi tes panza circular iar altii isi tes panza haotic. Există unele ipoteze cum că paianjenii tesatori de panza circulara, precum cei din specia Argiope de aici, ar trebui sa aiba cel mai puternic fir de deplasare pentru ca ei trebuie sa intercepteze prada zburatoare. Ceea ce vedeti in acest grafic al rezistentei este aceea ca cu cat punctul negru este mai sus, cu atat rezistenta este mai mare.

Cele 21 de specii sunt indicate aici de catre filogenie, acest copac evolutionist, care arata relatiile lor genetice, si am colorat in galben paianjenii cu panza circulara. Daca aruncati o privire aici la cele doua sageti rosii, ele arata valorile rezistentei pentru firul de deplasare al paianjenului auriu si al paianjenului european de gradina. Acestea sunt cele doua specii de paianjen in care se investesc timp si bani, investitii in cercetarea matasii sintetice si in copierea proteinelor firului de deplasare. Totusi, firul lor de deplasare nu este cel mai rezistent. De fapt, cel mai rezistent fir de deplasare din acest studiu este acesta de aici din aceasta regiune alba, a unui paiajen tesator de panza haotica. Acesta este firul de deplasare produs de cei din familia Scytodidelor, al păianjenului scuipător. Scytodidele nu utilizeaza deloc panza ca sa prinda prada. In schimb, Scytodidele mai degraba pandesc inprejurimile asteptand ca prada sa fie suficient de aproape, si apoi o imobilizeaza prin pulverizarea unei matase veninoase deasupra insectei. Ganditi-va ca vanati cu o funie neindemanatica. In acest mod se hranesc scytodidele. Realmente nu stim de ce scytodidele au nevoie de un astfel de fir de deplasare dar tocmai aceste rezultate neasteptate ca acestea fac fac bioprospectarea atat de interesanta si merituoasa. Ne elibereaza de sub constrangerile imaginatiei noastre.

Acum voi puncta asupra valorilor rezistentei fibrei de nailon, matasea Bombyx - sau viermii domestici de matase - fibra sintetica Kevlar, si fibrele de carbon. Si ceea ce puteti observa este ca aproape toate firele de deplasare ale paianjenilor le depaseste in valoare. Tocmai combinatia dintre putere, elasticitate si rezistenta face ca matasea paianjenilor sa fie atat de speciala, si asta e ceee ce atrage atentia biomimeticilor, oamenilor care analizeaza natura pentru a incerca sa gaseasca noi solutii. Iar puterea, elasticitatea si rezistenta matasii de paianjen combinata cu faptul ca matasea nu obtine un raspuns imun. atrage un mare interes in utilizarea matasii paianjenilor in aplicatiile biomedicale de exemplu, ca si component al tendoanelor artificiale, pentu a servi ca indiciu in refacerea nervurilor si pentru schele in cresterea de tesut.

Matasea paianjenilor dispune de mult potential in capacitatile ei anti-balistice. Matasea poate fi incorporata in corpul si echipamentul armurilor, pe care le-ar face mult mai usoare si mai flexibile decat orice alta armura existenta in zilele noastre. Pe langa aceste aplicatii biomimetice ale mătăsii de păianjen, personal, găsesc studierea mătăsii păianjenilor fascinanta prin ea insasi. Imi place cand in laborator fiind, o noua secventa de matase de paianjen soseste. Asta e cel mai grozav lucru. (Rasete) E ca si cum paianjenii imi destainuie un secret ancestral, si de aceea imi voi dedica restul vietii in studiul matasii de paianjen Data viitoare cand veti observa o panza de paianjen, va rog sa faceti o pauza si sa va uitati mai indeaproape. Veti vedea una dintre cele mai performante materiale cunoscute omului. In acord cu scrierile unui paianjen numit Charlotte, matasea este nemaipomenita.

Multumesc (Aplauze)

(Aplauze)