Шерил Хайаши: Великолепие паучьего шелка

Я здесь для того, чтобы рассказать, в чем состоит великолепие пауков, и сколькому мы можем научиться у них. Паук - поистине гражданин мира. Пауков можно встретить практически в каждой наземной среде обитания. Красной точкой обозначен Большой Бассейн Северной Америки, там я участвую в проекте, посвященном высокогорному биоразнообразию вместе с несколькими коллегами. Вот один из снимков местности, и просто чтобы вы могли ориентироваться, маленькая голубая точка здесь - это мой коллега. Местность весьма труднопроходимая и пустынная, но пауки здесь все же есть. Перевернув камень, мы видим паука-краба, борющегося с жуком.

Пауки не просто везде, они еще необычайно разнообразны. Существуют описания более 40 тысяч видов пауков. Чтобы взглянуть на это число с другой точки зрения, здесь приведена диаграмма, в которой 40 тысяч видов пауков противопоставлены 400 видам приматов. Количество пауков значительно превышает количество приматов. Кроме того, пауки очень древние существа. Здесь внизу геологическая шкала времени, эти цифры обозначают количество миллионов лет от настоящего, то есть ноль здесь обозначает сегодня. Эти цифры свидетельствуют о том, что пауки появились почти 380 миллионов лет назад. Для большей наглядности, эта красная вертикальная линия обозначает развитие человека от шимпанзе около семи миллионов лет назад.

Все пауки в определенный период своего существования прядут шелк. Большинство пауков используют очень много шелка, который жизненно необходим для их выживания и размножения. Даже ископаемые пауки могли делать шелк, насколько мы можем судить по отпечатку прядильного органа этого ископаемого паука. Это означает, что пауки, равно как и паучий шелк существуют уже примерно 380 миллионов лет. Изучая пауков, очень быстро начинаешь замечать, какое значение имеет шелк практически в каждом аспекте их жизни. Пауки используют шелк для различных целей, будь то бегство в случае опасности, построение коконов для яиц, защита и ловля добычи.

Существует много видов паучьего шелка. Например, садовый паук прядет семь различных видов шелка. Если посмотреть на эту округлую паутину, то можно увидеть различные типы волокон шелка. Обрамление и радиус этой паутины сделаны из одного вида шелка, в то время как спираль объединяет в себе два различных типа шелка: волокно и липкие капли. Как одному пауку удается прясть так много видов шелка? Чтобы получить ответ, придется подробнее взглянуть на прядильный орган паука. Шелк получается из прядильного аппарата, и мы, биологи, изучающие паучий шелк, называем это "бизнес продукт" паука. (Смех) Много дней... Эй! Не смейтесь! Это моя жизнь. (Смех) Много дней и ночей мы рассматривали эту часть паука. И вот что мы увидели. Мы видим множество волокон, выходящих из прядильного органа, так как в каждой есть множество желез. Каждое волокно шелка выходит из паутинной трубочки, и если проследить, что происходит внутри, то можно обнаружить, что каждая паутинная трубочка связана с отдельной железой. Железа имеет сходство с сумкой, наполненной множеством протеинов шелка. Если у вас когда-либо будет возможность вскрыть паука, прядущего паутину, я надеюсь, что будет, вы обнаружите множество красивых, полупрозрачных желез шелка.

Внутри каждого паука содержится сотня желез шелка, а иногда и тысяча. Их можно разделить на семь категорий. Они различаются по размеру, форме и иногда по даже по цвету. У паука, прядущего паутину, можно обнаружить семь типов желез шелка, и то, что я изобразила на этом рисунке, давайте начнем отсюда, это железы glandula tubiliformes, которые производят шелк для мешка с яйцами. Это железы glandula aggregata и flagelliform которые производят липкий шелк для ловчей спирали паутины. Железы glandula pyriformes производят шелк для крепежных нитей, которые прочно соединяют волокна шелка с основанием. Есть также железы glandula aciniformes, которые производят шелк для заплетания добычи. Младшая железа ampullate используется для создания паутины. А больше всего изучают главную железу ampullate. Этот шелк применяется в создании обрамления и радиуса паутины, а также нитей для перемещения в случае опасности.

Так что же представляет собой паучий шелк? Паучий шелк почти полностью состоит из белка. Практически все белки относятся одной генетической группе, что свидетельствует от том, что то разнообразие типов шелка, которое мы видим сегодня, появилось из одной генетической группы, так что вероятно, что предок паука производил один тип шелка, и в течение 380 миллионов лет этот ген шелка копировался, потом изменялся, приспосабливался снова и снова, чтобы в итоге превратиться в разнообразие видов паучего шелка, которое существует сейчас. Вот несколько признаков, которые являются общими для всех типов шелка. У всех схожий рисунок, то есть все они очень длинные - даже нелепо длинные, по сравнению с другими белками. Они повторяющиеся, а также содержат большое количество аминокислот: глицина и аланина. Чтобы вы знали, как выглядит белок паучего шелка, вот белок шелка для перемещений, точнее всего лишь его часть, от черной вдовы. Именно та последовательность, за которой мне нравится наблюдать днем и ночью. (Смех)

Здесь вы можете увидеть то, что я обозначила одной буквой аминокислоты, глицин я выделила зеленым цветом, аланин красным, и все, что вы видите, это много букв G и А. Еще вы можете увидеть много коротких последовательностей, которые повторяются снова и снова, и, например здесь, много полиаланина, или повторяющихся А, ААААА. Или GGQ. Или GGY. Можно рассматривать эти последовательности, которые повторяются снова и снова, в качестве слов, которые образуют предложения. Так, например, это будет одним предложением, и можно выделить что-то вроде зеленой области и красной - полиаланин, которая повторяется снова и снова, и ее можно встретить сотни и сотни раз внутри отдельной молекулы шелка.

В шелке, производимом одним пауком, могут быть совершенно разные повторяющиеся последовательности. В верхней части экрана вы видите повторяющуюся единицу шелка садового паука рода Агриопа. Она короткая. А внизу повторяющаяся последовательность белка шелка для мешка с яйцами, того же самого паука. Вы видите, насколько сильно различаются эти белки шелка - в какой-то степени это красота многообразия генетической семьи паучего шелка. Видно, что повторяющиеся единицы различны по длине. Они также отличаются в последовательности. Я снова выделила глицин зеленым, аланин красным, а серин, буквой S, розовым. Видно, что верхняя повторяющаяся единица почти полностью состоит из зеленого и красного, а нижняя единица в основном содержит розовый. Что делаем мы, биологи - мы пытаемся соотнести эти последовательности аминокислот с механическими свойствами волокон шелка.

Очень удобно, что пауки используют шелк только вне своего тела. Так, исследовать паучий шелк в лаборатории очень и очень просто, так как мы практически, понимаете, исследуем его в воздухе, то есть той самой среде, в которой пауки используют белки шелка. Это облегчает задачу исследовать особенности шелка, применяя метод испытания на растяжение, т.е. растягивая волокна с одной стороны. Здесь график давления и напряжения - результат испытания на растяжение пяти волокон, произведенных одним пауком. Становится понятным, что пять волокон по-разному ведут себя. А именно, если посмотреть на вертикальную ось, это давление. Если посмотреть на максимальное значение каждого волокна, можно увидеть существенные различия, и, фактически, самые сильные волокна это главные волокна желез ampullate. Мы считаем, что причина в том, что вид шелка, который используется при создании обрамления и радиуса паутины, должен быть очень сильным.

С другой стороны, если взглянуть на ось напряжения - то, насколько волокно может растянуться - если посмотреть на максимальное значение, снова увидим много различий, и абсолютный победитель здесь волокно железы flagelliform. На самом деле, это волокно может растянуться более чем в два раза. Итак, волокна шелка различаются упругостью и растяжимостью В случае спирали для захвата жертвы волокно должно быть растяжимым, чтобы вместить в себя летящую добычу. Если бы оно не было способно растянуться, то когда насекомое попадало бы в паутину, оно просто бы перепрыгивало через нее. Если бы паутина состояла только из шелка для перемещений, насекомое бы отпрыгивало от нее. Но благодаря наличию хорошо растяжимого шелка, паутина способна выдержать непредвиденное вторжение добычи.

Существует некоторое различие между волокнами, которые может произвести отдельный паук. Мы называем это набор инструментов паука. Это то, что есть у паука для взаимодействия с окружающей средой. Но как насчет различий среди видов пауков, относительно одного типа шелка и относительно различных видов пауков? Эта область мало изучена, но я могу поделиться с вами небольшим количеством информации. Это сравнение прочности шелка для перемещений у 21 вида пауков. Некоторые из них прядут паутину округлой формы, некоторые нет. Существовала гипотеза, что пауки, прядущие круглую паутину, например Агриопа, должны иметь самый прочный шелк, так как им нужно поймать летящую добычу. На этом графике прочности видно, что чем выше черная точка, тем выше прочность.

21 вид различается на основе филогенеза, древа эволюции, что показывает их генетические взаимоотношения, желтым я выделила пауков, прядущих круглую паутину. Взгляните на две красные стрелочки, она указывают на уровни прочности для nephila clavipes и araneus diadematus (крестовики). Это два вида пауков, на изучение синтетического шелка которых ушла большая часть времени и средств, а целью было скопировать белки шелка. И все же, их волокна не самые прочные. Как показало исследование, самые прочные нити в белой области, у паука, не прядущего круглую паутину. Вот нить, которую выплевывает паук вида Scytodes, плюющий паук. Они совсем не используют паутину, чтобы поймать добычу. Наоборот, они прячутся и ожидают добычу, чтобы подобраться поближе, и потом обездвижить жертву, распылив шелковидный яд на насекомое. Подумайте об охоте со слабой нитью. Так они обеспечивают себе питание. Мы не знаем наверняка, зачем scytodes нужны такие прочные нити, но как раз такие неожиданные результаты делают био-поиск таким захватывающим и стоящим. Это освобождает нас от рамок нашего воображения.

Теперь я хотела бы поговорить о прочности волокон нейлона, шелкопряда - или шелка домашнего шелкопряда - шерсти, кевларе и углеродных волокнах. И что мы видим - почти все волокна паучего шелка превосходят их. Именно сочетание упругости, растяжимости и прочности делает паучий шелк таким особенным, что привлекло внимание биомиметистов, так что люди вновь могут обратиться к природе, чтобы найти новые решения. Упругость, растяжимость и прочность паучего шелка в сочетании с тем, что шелк не вызывает иммунную реакцию, пробудило большой интерес к использованию паучего шелка в сфере биомедицины, например, в качестве компонента искусственных сухожилий, помощи при восстановлении нервов, и поддержки при воссоздании тканей.

В паучем шелке также скрыт большой потенциал для противоракетных резервов. Шелк можно ввести в тело и в военное снаряжение, которое будет более легким и гибким, чем любое доступное сейчас оружие. В дополнение к этому биомиметическому использованию паучего шелка, лично я считаю, что его изучение само по себе захватывающее. Я люблю находиться в лаборатории и выводить новые последовательности шелка. Это самое любимое. (Смех) Такое чувство, что пауки делятся со мной древнейшим секретом, и поэтому я всю свою жизнь хочу посвятить изучению паучего шелка. В следующий раз, когда вы увидите паутину, пожалуйста, остановитесь и присмотритесь повнимательней. Вы увидите один из самых высокоэффективных материалов, известных человеку. Позаимствую выражение паука по имени Шарлотта, "Шелк - это прекрасно".

Спасибо. (Аплодисменты)

(Аплодисменты)