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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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)
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)
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Děkuji vám. (Potlesk)
Thank you. (Applause)
(Potlesk)
(Applause)