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.
Je suis ici pour répandre la nouvelle de la splendeur des araignées et de combien nous pouvons apprendre d'elles. Les araignées sont réellement des citoyennes globales. Vous pouvez trouver les araignées dans presque tous les habitats terrestres. Ce point rouge indique le Grand Bassin des États-Unis, et là je suis impliquée avec des collaborateurs dans un projet sur la biodiversité alpine. Voici un de nos terrains de recherches, et juste pour vous donner une idée, cette petite trace bleue ici, c'est un de mes collaborateurs. C'est un paysage accidenté et aride, et pourtant il y a un certain nombre d'araignées ici. Si on retourne les rochers on trouve cette araignée-crabe luttant avec ce scarabée.
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.
Les araignées ne sont pas juste partout, elles sont également très diversifiées. Il y a plus de 40 000 espèces d'araignées décrites. Pour mettre ce nombre en perspective, voici un graphique comparant les 40 000 espèces d'araignées avec les 400 espèces de primates. Il y a plus d'araignées que de primates par deux ordres de grandeur. Les araignées sont aussi très vieilles. En bas-ici se trouve l'échelle des temps géologiques, et les nombres y indiquent les millions d'années depuis le présent, donc le zéro ici, ce serait aujourd'hui. Donc cette figure montre que les araignées remontent presque à 380 millions d'années. Pour vous donner une mesure, cette barre rouge ici indiquent le moment de la divergence des humains depuis la ligne des chimpanzés, il y a seulement 7 millions d'années.
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.
Toutes les araignées font de la soie à un moment dans leur vie. La plupart des araignées utilisent une quantité abondante de soie, et la soie est essentielle à leur survie et à leur reproduction. Même les araignées fossiles peuvent produire de la soie, comme nous pouvons le voir avec cette impression d'une filière dans cette araignée fossile. Cela veut donc dire qu'à la fois les araignées et la soie d'araignée existent depuis 380 millions d'années. Quand on travaille avec les araignées, très vite on commence à remarquer à quel point la soie est simplement essentielle dans tous les aspects de leur vie. Les araignées utilisent la soie avec de multiples buts, dont le câble de sécurité pour ramper, enrober les œufs pour la reproduction, construire des abris protecteurs et attraper des proies.
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.
Il y a de nombreuses sortes de soie d'araignée. Par exemple, cette araignée de jardin peut faire sept différentes sortes de soie. Quand vous regardez cette toile orbitale, en fait vous voyez différent types de fibres de soie. Le cadre et les rayons de la toile sont faits d'une sorte de soie, alors que la spirale de capture est un composite de deux soies différentes : le filament et la gouttelette collante. Comment une seule araignée fabrique autant de sortes de soie ? Pour répondre à cela, il faut regarder de plus près la zone filière de l'araignée. Donc la soie sort de ces glandes filières, et pour nous biologistes de la soie d'araignée, c'est ce qu'on appelle le "côté commercial" de l'araignée. (Rires) Nous passons de longues journées... Hé ! Ne riez pas. C'est ma vie. (Rires) Nous passons de longs jours et nuits à fixer cette partie de l'araignée. Et voici ce que nous voyons. Vous pouvez voir de multiples fibres sortant des glandes filières, car chaque glande filière a de nombreux robinets. Chacune de ces fibres de soie sort par un robinet, et si vous deviez retracer la fibre à l'intérieur de l'araignée, vous observeriez que chaque robinet est connecté à sa propre glande à soie. Une glande à soie ressemble à une sorte de sac avec plein de protéines de soie à l'intérieur. Donc si vous avez un jour l'opportunité de disséquer une araignée orbitèle, et je l'espère pour vous, ce que vous trouverez est une abondance de magnifiques, translucides glandes à soie.
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.
À l'intérieur de chaque araignée, il y a des centaines de glandes à soie, parfois des milliers. Elles peuvent être groupées en sept catégories. Elles diffèrent par leur taille, leur forme, et parfois même leur couleur. Dans une araignée orbitèle, vous pouvez trouver sept sortes de glandes à soie, et ce que j'ai décrit dans cette image — commençons à une heure — il y a des glandes à soie tubulaires, utilisées pour fabriquer l'extérieur d'un sac à œufs. Il y a les glandes à soie agrégées et flagelliformes, qui se combinent pour fabriquer la spirale adhésive de capture de l'araignée orbitèle. Les glandes à soie piriformes fabriquent le ciment adhésif : c'est la soie utilisée pour attacher les lignes de soie à un substrat. Il y a aussi la soie aciniforme, utilisée pour enrober les proies. La soie ampullacée mineure est utilisée dans la construction de la toile. Et la ligne de soie la plus étudiée d'entre toutes : la soie ampullacée majeure. C'est la soie qui est utilisée pour fabriquer le cadre et les rayons de la toile, ainsi que le câble de sécurité pour ramper.
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)
Mais qu'est exactement la soie d'araignée ? La soie d'araignée est presque entièrement de la protéine. Presque toutes ces protéines peuvent être expliquées par une seule famille de gènes, ce qui veut dire que la diversité dans les sortes de soie observées aujourd'hui est codée par une seule famille de gènes. On présume donc que l'ancêtre original de l'araignée fabriquait une sorte de soie, et au cours des 380 millions d'années, cet unique gène à soie s'est dupliqué et a alors divergé, s'est spécialisé, encore et encore et encore, pour obtenir la large variété de parfums de soies d'araignée que nous avons aujourd'hui. Il y a plusieurs caractéristiques que toutes ces soies ont en commun. Elles ont toutes une même forme, de sorte qu'elles sont très longues — elles sont quelque peu bizarrement longues par rapport aux autres protéines. Elles sont très répétitives, et elles sont très riches en glycine et alanine, des acides aminés. Pour vous donner une idée de à quoi ressemble une protéine de soie d'araignée, voici la protéine du câble de soie — c'en est juste une portion — de la veuve noire. C'est le genre de séquence que j'adore regarder jour et nuit. (Rires)
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.
Donc, ce que vous voyez ici est l'abréviation en une lettre des acides aminés, et j'ai colorié les glycines en vert, et les alanines en rouge. Donc vous pouvez voir que c'est juste beaucoup de G et de A. Vous pouvez aussi voir qu'il y a beaucoup de courtes séquences de motifs qui se répètent encore et encore et encore : par exemple, il y a beaucoup de ce qu'on appelle des polyalanines, ou A répétés, AAAAA. Il y a GCQ. Il y a GCY. Vous pouvez voir ces courts motifs qui se répètent encore et encore comme des mots, et ces mots apparaissent dans des phrases. Par exemple, cela serait une phrase, et vous auriez cette espèce de zone verte et le polyalanine rouge, qui se répètent encore et encore et encore, et vous pouvez avoir cela des centaines et des centaines et des centaines de fois à l'intérieur d'une simple molécule de soie.
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.
Les soies fabriquées par une même araignée peuvent avoir des séquences de répétition radicalement différentes. En haut de l'écran, vous voyez l'unité répétée dans le câble de soie d'une argiope — une araignée de jardin. C'est court. Et en bas, c'est la séquence répétée pour l'écrin à œufs, la protéine de soie tubuliforme, pour exactement la même araignée. Et vous pouvez voir combien ces protéines de soie sont radicalement différentes. D’une certaine façon, c’est la beauté de la diversification de la famille des gènes à soie de l'araignée. Vous pouvez voir que les unités répétées diffèrent en longueur. Elles diffèrent aussi dans leurs séquences. Donc j'ai encore colorié les glycines en vert, l'alanine en rouge, et les sérines, la lettre S, en violet. Et vous pouvez voir que l'unité répétée en haut peut être expliquée presque entièrement en vert et en rouge, et que l'unité répétée en bas a une quantité substantielle de violet. Ce que les biologistes de la soie font, c'est essayer de relier ces séquences, ces séquences d'acides aminés aux propriétés mécaniques des fibres de soie.
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.
Maintenant, c'est vraiment pratique que les araignées utilisent leur soie complètement hors de leur corps. Cela fait que tester la soie d'araignée est vraiment, vraiment facile à faire en laboratoire, car nous la testons en fait, vous savez, dans l'air qui est exactement l'environnement dans lequel les araignées utilisent leurs protéines de soie. Ainsi identifier les propriétés de la soie par des méthodes comme les tests de résistance à l'étirement — où, en gros, on tire un bout de la fibre — très accommodant. Voici les courbes de stress et de tension générées en testant la résistance à l'étirement de cinq fibres fabriquées par la même araignée. Donc vous pouvez voir ici que les cinq fibres ont des comportements différents. Spécifiquement, si vous regardez l'axe vertical, c'est le stress. Si vous regardez la valeur maximale de stress pour chacune de ces fibres, vous pouvez voir qu'il y a beaucoup de variation, et en fait le câble, ou soie ampullacée majeure, est la plus forte des ces fibres. Nous pensons que c'est parce que la soie du câble, utilisée pour fabriquer le cadre et les rayons d'une toile, doivent être très résistants.
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.
De l'autre côté, si vous deviez regarder la tension — combien une fibre peut être étirée — si vous regardez la valeur maximale ici, encore une fois, il y a beaucoup de variation et la nette gagnante est la fibre flagelliforme, le filament de la spirale de capture. En fait, la fibre flagelliforme peut en fait s'étirer jusqu'à deux fois sa longueur originelle. Donc les fibres de soie varient par leur force et aussi par leur extensibilité. Dans le cas de la spirale de capture, elle a besoin d'être aussi étirable pour absorber l'impact de la proie qui vole. Si elle ne pouvait pas s'étirer autant, en gros quand un insecte heurte la toile, il sauterait juste dessus, comme sur un trampoline. Donc si la toile est entièrement faite de soie de câble, un insecte va très probablement juste rebondir aussitôt. Mais en ayant une spirale de capture en soie vraiment, vraiment élastique, la toile peut en fait absorber l'impact de la proie interceptée.
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.
Il y a beaucoup de variation parmi les fibres qu'une seule araignée peut fabriquer. Nous appelons cela la boîte à outils de l'araignée. C'est ce que l'araignée a pour interagir avec son environnement Mais qu'en est-il de la variation entre les espèces d'araignées, donc si on regarde un type de soie et différentes espèces d'araignées ? C'est un champ largement inexploré, mais il y a quelques données que je peux vous montrer. Voici une comparaison de la solidité de la schappe du câble de soie dans 21 espèces d'araignées. Certaines sont des araignées orbitèles et certaines sont non orbitèles. L'hypothèse a été émise que les araignées orbitèles, comme l'argiope ici, devrait avoir les câbles de soie les plus solides parce qu'elles doivent intercepter des proies volantes. Ce que vous voyez ici sur ce graphique de la solidité, c'est que plus le point noir est haut sur le graphique, plus la solidité est grande.
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.
Les 21 espèces sont indiquées ici par cet arbre phylogénique, évolutionnaire, montrant leurs relations génétiques ; j'ai colorié en jaune les araignées orbitèles. Si vous regardez juste ici les deux flèches rouges, elles pointent vers les valeurs de solidité pour les câbles de l'araignée Nephila clavipes et l'araignée Araneus diadematus [Épeire diadème]. Ce sont les deux espèces d'araignées sur lesquelles on a dépensé la vaste majorité du temps et de l'argent de la recherche sur la soie d'araignée synthétique, afin de répliquer les protéines de leurs câbles de soie. Cependant leurs câbles ne sont pas les plus solides. En fait, le câble le plus solide dans cette étude est celui juste ici dans la zone blanche, celui d'une araignée non orbitèle. Il s'agit de la schappe de la scytodes, l'araignée cracheuse. La scytodes n'utilise pas du tout de toile pour attraper ses proies. À la place, la scytodes rôde en quelque sorte, et attend qu'une proie s'approche, et alors elle immobilise la proie en aspergeant l'insecte d'un venin semblable à de la soie. Imaginez chasser avec des stupides cordes. C'est comme cela que la scytode fourrage. On ne sait pas vraiment pourquoi la scytodes a besoin d'un câble si solide, mais ce sont des résultats inattendus comme ceux-là qui rendent la bio-prospection si excitante et en valant la peine. Cela nous libère des contraintes de notre imagination.
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.
Maintenant je vais indiquer les valeurs de solidité pour la fibre de nylon, La fibre de bombyx — ou soie du ver à soie domestiqué — la laine, le Kevlar, et des fibres de carbone. Et ce que vous pouvez voir est que presque tous les câbles d'araignée les surpassent. C'est la combinaison de la force, l'extensibilité, et la solidité, qui rend la soie d'araignée si spéciale, et qui a attiré l'attention des biomimétistes, soit des gens qui se tournent vers la nature pour trouver de nouvelles solutions. Et la force, l'extensibilité et la solidité des soies d'araignée, combinées au fait que les soies ne provoquent pas de réponses immunitaires, ont attiré beaucoup d'intérêt pour l'usage des soies d'araignées pour des applications biomédicales, par exemple comme un composant de tendons artificiels, comme guide pour faire repousser des nerfs, et comme support pour faire pousser des tissus.
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.
Les soies d'araignées ont beaucoup de potentiel par leurs capacités antibalistiques. Les soies pourraient être intégrées dans le corps et un équipement blindé qui serait plus léger et flexible que n'importe quel blindage disponible aujourd'hui. En plus de ces applications biomimétistes des soies d'araignée, personnellement, je trouve l'étude des soies d'araignées simplement fascinante en elle-même et d'elle-même. J'adore quand je suis dans le laboratoire, une nouvelle séquence de soie d'araignée arrive. C'est tout simplement la meilleure. (Rires) C'est comme si les araignées partageaient avec moi un secret ancien, et c'est pourquoi je vais passer le reste de ma vie à étudier la soie d'araignée. La prochaine fois que vous voyez une toile d'araignée, s'il-vous-plaît, arrêtez-vous et regardez d'un peu plus près. Vous serez en train de regarder l'un des matériaux à la plus haute performance que l'homme connaisse. Pour emprunter des écrits d'une araignée nommée Charlotte, la soie est formidable.
Thank you. (Applause)
Merci. (Applaudissements)
(Applause)
(Applaudissements)