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.
I'm here to spread the word about the magnificence of spiders and how much we can learn from them. Spiders are truly global citizens. You can find spiders in nearly every terrestrial habitat. This red dot marks the Great Basin of North America, and I'm involved with an alpine biodiversity project there with some collaborators. Here's one of our field sites, and just to give you a sense of perspective, this little blue smudge here, that's one of my collaborators. This is a rugged and barren landscape, yet there are quite a few spiders here. Turning rocks over revealed this crab spider grappling with a beetle.
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.
Spiders are not just everywhere, but they're extremely diverse. There are over 40,000 described species of spiders. To put that number into perspective, here's a graph comparing the 40,000 species of spiders to the 400 species of primates. There are two orders of magnitude more spiders than primates. Spiders are also extremely old. On the bottom here, this is the geologic timescale, and the numbers on it indicate millions of years from the present, so the zero here, that would be today. So what this figure shows is that spiders date back to almost 380 million years. To put that into perspective, this red vertical bar here marks the divergence time of humans from chimpanzees, a mere seven million years ago.
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.
All spiders make silk at some point in their life. Most spiders use copious amounts of silk, and silk is essential to their survival and reproduction. Even fossil spiders can make silk, as we can see from this impression of a spinneret on this fossil spider. So this means that both spiders and spider silk have been around for 380 million years. It doesn't take long from working with spiders to start noticing how essential silk is to just about every aspect of their life. Spiders use silk for many purposes, including the trailing safety dragline, wrapping eggs for reproduction, protective retreats and catching prey.
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.
There are many kinds of spider silk. For example, this garden spider can make seven different kinds of silks. When you look at this orb web, you're actually seeing many types of silk fibers. The frame and radii of this web is made up of one type of silk, while the capture spiral is a composite of two different silks: the filament and the sticky droplet. How does an individual spider make so many kinds of silk? To answer that, you have to look a lot closer at the spinneret region of a spider. So silk comes out of the spinnerets, and for those of us spider silk biologists, this is what we call the "business end" of the spider. (Laughter) We spend long days ... Hey! Don't laugh. That's my life. (Laughter) We spend long days and nights staring at this part of the spider. And this is what we see. You can see multiple fibers coming out of the spinnerets, because each spinneret has many spigots on it. Each of these silk fibers exits from the spigot, and if you were to trace the fiber back into the spider, what you would find is that each spigot connects to its own individual silk gland. A silk gland kind of looks like a sac with a lot of silk proteins stuck inside. So if you ever have the opportunity to dissect an orb-web-weaving spider, and I hope you do, what you would find is a bounty of beautiful, translucent silk glands.
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,
Inside each spider, there are hundreds of silk glands, sometimes thousands. These can be grouped into seven categories. They differ by size, shape, and sometimes even color. In an orb-web-weaving spider, you can find seven types of silk glands, and what I have depicted here in this picture, let's start at the one o'clock position, there's tubuliform silk glands, which are used to make the outer silk of an egg sac. There's the aggregate and flagelliform silk glands which combine to make the sticky capture spiral of an orb web. Pyriform silk glands make the attachment cement -- that's the silk that's used to adhere silk lines to a substrate. There's also aciniform silk, which is used to wrap prey. Minor ampullate silk is used in web construction. And the most studied silk line of them all: major ampullate silk. This is the silk that's used to make the frame and radii of an orb web, and also the safety trailing dragline.
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)
But what, exactly, is spider silk? Spider silk is almost entirely protein. Nearly all of these proteins can be explained by a single gene family, so this means that the diversity of silk types we see today is encoded by one gene family, so presumably the original spider ancestor made one kind of silk, and over the last 380 million years, that one silk gene has duplicated and then diverged, specialized, over and over and over again, to get the large variety of flavors of spider silks that we have today. There are several features that all these silks have in common. They all have a common design, such as they're all very long -- they're sort of outlandishly long compared to other proteins. They're very repetitive, and they're very rich in the amino acids glycine and alanine. To give you an idea of what a spider silk protein looks like, this is a dragline silk protein, it's just a portion of it, from the black widow spider. This is the kind of sequence that I love looking at day and night. (Laughter)
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.
So what you're seeing here is the one letter abbreviation for amino acids, and I've colored in the glycines with green, and the alanines in red, and so you can see it's just a lot of G's and A's. You can also see that there's a lot of short sequence motifs that repeat over and over and over again, so for example there's a lot of what we call polyalanines, or iterated A's, AAAAA. There's GGQ. There's GGY. You can think of these short motifs that repeat over and over again as words, and these words occur in sentences. So for example this would be one sentence, and you would get this sort of green region and the red polyalanine, that repeats over and over and over again, and you can have that hundreds and hundreds and hundreds of times within an individual silk molecule.
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.
Silks made by the same spider can have dramatically different repeat sequences. At the top of the screen, you're seeing the repeat unit from the dragline silk of a garden argiope spider. It's short. And on the bottom, this is the repeat sequence for the egg case, or tubuliform silk protein, for the exact same spider. And you can see how dramatically different these silk proteins are -- so this is sort of the beauty of the diversification of the spider silk gene family. You can see that the repeat units differ in length. They also differ in sequence. So I've colored in the glycines again in green, alanine in red, and the serines, the letter S, in purple. And you can see that the top repeat unit can be explained almost entirely by green and red, and the bottom repeat unit has a substantial amount of purple. What silk biologists do is we try to relate these sequences, these amino acid sequences, to the mechanical properties of the silk fibers.
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.
Now, it's really convenient that spiders use their silk completely outside their body. This makes testing spider silk really, really easy to do in the laboratory, because we're actually, you know, testing it in air that's exactly the environment that spiders are using their silk proteins. So this makes quantifying silk properties by methods such as tensile testing, which is basically, you know, tugging on one end of the fiber, very amenable. Here are stress-strain curves generated by tensile testing five fibers made by the same spider. So what you can see here is that the five fibers have different behaviors. Specifically, if you look on the vertical axis, that's stress. If you look at the maximum stress value for each of these fibers, you can see that there's a lot of variation, and in fact dragline, or major ampullate silk, is the strongest of these fibers. We think that's because the dragline silk, which is used to make the frame and radii for a web, needs to be very strong.
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.
On the other hand, if you were to look at strain -- this is how much a fiber can be extended -- if you look at the maximum value here, again, there's a lot of variation and the clear winner is flagelliform, or the capture spiral filament. In fact, this flagelliform fiber can actually stretch over twice its original length. So silk fibers vary in their strength and also their extensibility. In the case of the capture spiral, it needs to be so stretchy to absorb the impact of flying prey. If it wasn't able to stretch so much, then basically when an insect hit the web, it would just trampoline right off of it. So if the web was made entirely out of dragline silk, an insect is very likely to just bounce right off. But by having really, really stretchy capture spiral silk, the web is actually able to absorb the impact of that intercepted prey.
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.
There's quite a bit of variation within the fibers that an individual spider can make. We call that the tool kit of a spider. That's what the spider has to interact with their environment. But how about variation among spider species, so looking at one type of silk and looking at different species of spiders? This is an area that's largely unexplored but here's a little bit of data I can show you. This is the comparison of the toughness of the dragline spilk spun by 21 species of spiders. Some of them are orb-weaving spiders and some of them are non-orb-weaving spiders. It's been hypothesized that orb-weaving spiders, like this argiope here, should have the toughest dragline silks because they must intercept flying prey. What you see here on this toughness graph is the higher the black dot is on the graph, the higher the toughness.
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.
The 21 species are indicated here by this phylogeny, this evolutionary tree, that shows their genetic relationships, and I've colored in yellow the orb-web-weaving spiders. If you look right here at the two red arrows, they point to the toughness values for the draglines of nephila clavipes and araneus diadematus. These are the two species of spiders for which the vast majority of time and money on synthetic spider silk research has been to replicate their dragline silk proteins. Yet, their draglines are not the toughest. In fact, the toughest dragline in this survey is this one right here in this white region, a non orb-web-weaving spider. This is the dragline spun by scytodes, the spitting spider. Scytodes doesn't use a web at all to catch prey. Instead, scytodes sort of lurks around and waits for prey to get close to it, and then immobilizes prey by spraying a silk-like venom onto that insect. Think of hunting with silly string. That's how scytodes forages. We don't really know why scytodes needs such a tough dragline, but it's unexpected results like this that make bio-prospecting so exciting and worthwhile. It frees us from the constraints of our imagination.
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.
Now I'm going to mark on the toughness values for nylon fiber, bombyx -- or domesticated silkworm silk -- wool, Kevlar, and carbon fibers. And what you can see is that nearly all the spider draglines surpass them. It's the combination of strength, extensibility and toughness that makes spider silk so special, and that has attracted the attention of biomimeticists, so people that turn to nature to try to find new solutions. And the strength, extensibility and toughness of spider silks combined with the fact that silks do not elicit an immune response, have attracted a lot of interest in the use of spider silks in biomedical applications, for example, as a component of artificial tendons, for serving as guides to regrow nerves, and for scaffolds for tissue growth.
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.
Spider silks also have a lot of potential for their anti-ballistic capabilities. Silks could be incorporated into body and equipment armor that would be more lightweight and flexible than any armor available today. In addition to these biomimetic applications of spider silks, personally, I find studying spider silks just fascinating in and of itself. I love when I'm in the laboratory, a new spider silk sequence comes in. That's just the best. (Laughter) It's like the spiders are sharing an ancient secret with me, and that's why I'm going to spend the rest of my life studying spider silk. The next time you see a spider web, please, pause and look a little closer. You'll be seeing one of the most high-performance materials known to man. To borrow from the writings of a spider named Charlotte, silk is terrific.
Благодаря ви. (Аплодисменти)
Thank you. (Applause)
(Аплодисменти)
(Applause)