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.
Estou aqui para espalhar a palavra sobre o esplendor das aranhas e o quanto podemos aprender com elas. As aranhas são verdadeiros "cidadãos do mundo". Podemos encontra-las em quase todos os ambientes na Terra. Este ponto vermelho marca a Grande Bacia da América do Norte onde estou envolvida num projecto de biodiversidade alpina com alguns colaboradores. Este é um dos nossos campos de estudo e, só para vos dar uma ideia, este pequeno borrão azul é um dos meus colaboradores. Esta é uma paisagem acidentada e estéril, mas ainda assim existem aqui bastantes aranhas. Revirar pedras revelou esta aranha-caranguejo a lutar com um escaravelho.
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.
As aranhas não só estão em todo o lado como são extremamente diversas. Existem mais de quarenta mil espécies documentadas de aranhas. Pondo este número em perspectiva, aqui está um gráfico que compara as quarenta mil espécies de aranhas com as 400 espécies de primatas. Existem cerca de mais duas ordens de magnitude de aranhas que primatas. As aranhas também são extremamente antigas. Aqui no fundo, isto é a escala de tempo geológico e o número de anos indica milhões de anos desde o presente, portanto o zero aqui, que seria hoje. Portanto, o que esta imagem mostra é que as aranhas datam quase de há 380 milhões de anos. Para colocar isso em perspectiva, esta barra vertical vermelha aqui marca a divergência temporal entre humanos e chimpanzés, há uns meros 7 milhões de anos atrás.
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.
Todas as aranhas fazem seda a dada altura da sua vida. Grande parte usa imensas quantidades de seda e esta é essencial à sua sobrevivência e reprodução. Até as aranhas em fóssil conseguiam fazer seda, como podemos ver nesta impressão de uma fieira de uma aranha fóssil. Isto significa que, tanto aranhas como a sua seda existem há 380 milhões de anos. Trabalhando com aranhas, não demora muito para nos apercebermos do quão essencial é a seda em qualquer aspecto das suas vidas. As aranhas usam seda para imensos propósitos, incuindo a linha de segurança de reboque, embrulhar os ovos na reprodução, para criar abrigos e apanhar presas.
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.
Existem muitos tipos de seda de aranha. Por exemplo, esta aranha de jardim pode fazer sete tipos diferentes de seda. Quando se olha para uma teia de espiral, podemos ver, na realidade, muitos tipos de fibra de seda. Tanto a moldura como os raios desta teia são feitos de um tipo de seda enquanto a espiral de captura é um compósito de dois tipos diferentes de seda: o filamento e as gotas pegajosas. Mas como é que uma única aranha consegue fazer tantos tipos de seda? Para responder a isto temos que observar muito mais de perto a região da fieira da aranha. Então, a seda sai das fieiras e, entre nós, biólogos de seda de aranha, chamamos-lhe "a ponta do negócio" da aranha. (Riso) Passamos longos dias... Hey! Não se riam! É a minha vida! (Riso) Passamos longos dias e noites a olhar para esta parte da aranha. E isto é o que nós vemos. Podem ver múltiplas fibras a sair das fieiras, porque cada fieira tem várias fúsulas. Cada uma destas fibras sai de uma fúsula e, se a seguisse-mos em direcção à aranha, o que descobriríamos era que cada fúsula está ligada à sua glândula de seda individual. Uma glândula de seda é parecida com um saco cheio de proteínas da seda lá dentro. Por isso, se tiverem a oportunidade de dissecar uma aranha deste género, e espero que tenham, o que encontrariam era uma quantidade enorme de glândulas de seda lindas e translúcidas.
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.
Dentro de cada aranha há centenas de glândulas de seda, às vezes milhares. Estas podem agrupar-se em sete categorias. Diferem em tamanho, forma, e, às vezes, até na cor. Numa aranha de teia em espiral podemos encontrar sete tipos de glândulas de seda como tentei ilustrar nesta imagem. Começando na posição da 1 hora há glândulas de seda tubuliforme, que são usadas para fazer a parte de fora do saco para os ovos. Existem as glândulas de seda de agregação e flageliforme que se combinam para fazer a espiral pegajosa de captura da teia. Glândulas de seda piriformes fazem o cimento -- esta é a seda usada para ligar os fios de seda a um substrato. Existe também a seda aciniforme, usada para enrolar as presas. A Seda "Minor ampullate" (ampola menor) é usada na construção de teias. E a linha de seda mais estudada de todas: a seda "ampullate major" (de ampola maior). Esta é a seda utilizada para fazer a moldura e os raios de uma teia circular e, também, o fio de segurança de reboque.
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)
Mas o que é, exactamente, a seda de aranha? A seda de aranha é quase toda feita de proteínas. Quase todas estas proteínas podem ser explicadas por uma única família de genes. Isto significa que a diversidade de sedas que vemos hoje é codificada por uma família de genes. Portanto, presumivelmente o ancestral original da aranha fazia um tipo de seda e ao longo dos últimos 380 milhões de anos este gene único de seda duplicou-se e depois divergiu, especializou-se uma e outra vez chegando à imensa variedade de sedas de aranha que temos hoje em dia. Existem características que todas estas sedas possuem em comum. Todas têm um design comum, tal como serem todas muito longas -- são cadeias extremamente longas comparadas com outras proteínas. São muito repetitivas e muito ricas em aminoácidos de glicina e de alanina. Para terem uma noção do aspecto de como é uma proteína da seda de aranha esta é uma proteína de seda de reboque, é apenas uma porção dela, da aranha viúva negra. Este é o tipo de sequência que eu adoro observar todos os dias. (Riso)
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.
O que aqui vêm é a letra de abreviação de aminoácidos e eu pintei as Glicinas a verde e as Alaninas a vermelho. Portanto, podem ver que são muitos "G"s e "A"s Também podem ver que existem muitas sequências pequenas que se repetem muitas e muitas vezes. Por exemplo, existe muito do que chamamos poli-alaninas, ou "A"s seguidos, AAAAA. Existem GGQ, ali está GGY. Podem pensar nestas pequenas sequências que se repetem muitas vezes como palavras que aparecem em frases. Por exemplo, esta seria uma frase e temos esta espécie de região verde e as poli-alaninas vermelhas que se repetem vezes e vezes sem conta, e podemos ter isto centenas e centenas e centenas de vezes dentro de uma única molécula de seda.
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.
Sedas feitas pela mesma aranha podem ter sequências repetidas substancialmente diferentes. Podem ver, no topo da imagem, a unidade que se repete numa seda de reboque de uma aranha de jardim. É pequena e no fundo da imagem está a sequência repetida para o invólucro do ovo, ou proteína da seda tubuliforme para a mesma aranha. Podem ver a dramática diferença entre estas duas proteínas. Esta é a beleza da diversificação da família do gene da seda das aranhas. Podem ver que as unidades repetidas diferem em comprimento. Também diferem na sequência. Agora pintei outra vez as Glicinas a verde, as Alaninas a vermelho e as Serinas, a letra S, em roxo. E podem ver que a unidades repetidas de cima são quase sempre verdes e vermelhas e as unidades repetidas no fundo têm uma quantidade substancial de roxo. O que os biólogos fazem é tentar relacionar estas sequências de aminoácidos com as propriedades mecânicas das fibras da seda.
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.
É muito conveniente que as aranhas usem a seda completamente fora do seu corpo. Isto torna o teste da seda muito, muito fáceis de fazer em laboratório, porque estamos a testá-las expostas ao ar que é o mesmo ambiente em que as aranhas usam as suas proteínas da seda. Isto torna a quantificação das suas propriedades por métodos como o teste à tensão onde, basicamente, se puxa numa das pontas da fibra, muito delicado. Aqui estão curvas de tensão geradas por testes tênseis a cinco fibras feitas pela mesma aranha. O que podem ver aqui é que as cinco fibras têm comportamentos diferentes. Especificamente, se olharem para o eixo vertical, aquilo é a tensão. Se virem o valor de tensão máximo para cada uma destas fibras podem ver que existe muita variação e, na verdade, a seda de reboque ou "ampullate major" (maior ampola) é a mais forte destas fibras. Pensamos que isto acontece porque esta seda que é usada para fazer a moldura e os raios da teia precisa ser muito forte.
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.
Por outro lado, se olhassem para a deformação -- isto é quanto uma fibra pode ser esticada -- se olharem para o valor máximo aqui, mais uma vez, também há muita variação e a clara vencedora é a flageliforme ou a fibra usada na espiral de captura. Na verdade, esta fibra flageliforme consegue esticar-se até ao dobro do seu comprimento original. Assim, as fibras de seda variam na sua resistência e na sua extensibilidade. No caso da espiral de captura, precisa ser extensível para absorver o impacto da presa voadora. Se não fosse capaz de esticar tanto, quando um insecto batesse na teia seria projectado dela, tipo trampolim. Portanto, se a teia fosse feita toda de seda de reboque, um insecto iria muito provavelmente ressaltar da teia. Mas, ao ter esta espiral muito, muito flexível, a teia é capaz de absorver o impacto causado pela presa em voo.
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.
Existem bastantes variações de entre as fibras que uma única aranha pode produzir. Chamamos-lhe o "cinto de ferramentas" da aranha. É o que a aranha tem para interagir com o seu ambiente. Então e as variações entre as espécies de aranha, ao olhar para um tipo de seda e ao olhar para outro em espécies diferentes de aranha? Esta é uma área bastante inexplorada mas aqui está um pouco de dados que vos posso mostrar. Esta é a comparação entre a resistência da seda de reboque fiada por 21 espécies de aranha. Algumas destas aranhas fazem teias em espiral, outras não. Existe a hipótese de que as aranhas de teia em espiral, como esta Argiope, devem ter as sedas de reboque mais fortes pois têm que interceptar as presas em voo. O que vêem aqui neste gráfico de resistência é que quanto mais alto o ponto preto mais resistente é a seda.
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.
As 21 espécies são indicadas por esta filogenia, esta árvore evolutiva, que mostra a sua relação genética e pintei a amarelo as que fazes teias em espiral. Se olharem aqui para as duas setas vermelhas, elas apontam para os valores de resistência da seda de reboque da nephila clavipes e a araneus diadematus. Estas são as duas espécies de aranhas onde a maioria do tempo e dinheiro para pesquisa de seda sintética foram aplicados para copiar as proteínas usadas na seda de reboque. Mas as suas sedas de reboque não são as mais resistentes. Na verdade, a seda de reboque mais resistente da pesquisa é esta aqui, nesta região branca, uma aranha sem teia em espiral. Esta é a seda de reboque fiada pela scytodes, a aranha cuspideira. A Scytodes não usa uma teia, de todo, para apanhar presas. Em vez disso, a Scytodes como que atrai e espera que a presa se aproxime e, depois, imobiliza-a pulverizando-a com um veneno na forma de seda. É como caçar com serpentinas pegajosas. É assim que a scytodes caça. Não sabemos exactamente porque é que ela precisa de uma seda de reboque tão forte mas são resultados inesperados como este que fazem da pesquisa biológica tão excitante e valiosa. Liberta-nos dos limites da nossa imaginação.
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.
Agora vou marcar os valores de resistência da fibra de nylon, a "bombyx" -- ou a seda dos bichos-da-seda domesticados -- lã, Kevlar e fibras de carbono. O que podem ver é que quase todas as sedas de reboque de aranha são mais fortes. É a combinação de força, extensibilidade e resistência que torna a seda de aranha tão especial e que tanto atrai a atenção dos biomimeticistas, ou seja das pessoas que olham para a natureza para tentar encontrar novas soluções. E a força, a extensibilidade e a resistência das sedas de aranha combinadas com o facto destas não desencadearem uma resposta imunológica que tem atraído muito do interesse em usar as sedas de aranhas na biomedicina, por exemplo, como um componente de tendões artificiais que servem como guias para a regeneração de nervos e como andaimes para o crescimento dos tecidos.
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.
As sedas de aranhas também têm muito potencial pelas suas capacidades antibalísticas. As sedas podem ser incorporadas em armaduras e equipamento de modo a serem mais leves e flexíveis do que qualquer protecção existente. Para além destas aplicações da biomimética das sedas de aranha, pessoalmente, acho que o estudo da seda é simplesmente fascinante só por si. Adoro estar no laboratório quando chega uma nova sequência de seda. É do melhor que pode haver. (Riso) É como se as aranhas partilhassem um antigo segredo comigo e é por isso que vou passar o resto da minha vida a estudar a seda de aranha. Da próxima vez que virem uma teia, por favor, parem e olhem-na mais de perto. Estão a ver um dos materiais com melhor desempenho conhecidos até hoje. Como dizia uma aranha no livro "A teia de Charlotte" (por E. B. White) "A seda é espectacular!"
Thank you. (Applause)
Obrigado. (Aplausos)
(Applause)
(Aplausos)