Cheryl Hayashi: The magnificence of spider silk

Translator: Ekaterina Atanasova Reviewer: Darina Stoyanova

I'm here to spread the word about the

Аз съм тук, за да разпространя идеята за

magnificence of spiders

великолепието на паяците

and how much we can learn from them.

и за това колко много можем да научим от тях.

Spiders are truly global citizens.

Паяците са наистина граждани на света (глобални обитатели).

You can find spiders in nearly

Можете да намерите паяци почти

every terrestrial habitat.

във всеки сухоземен хабитат.

This red dot marks

Тази червена точка показва

the Great Basin of North America,

Големия басейн в Северна Америка

and I'm involved with an alpine biodiversity

и там аз се занимавам с проект за високопланинското

project there with some collaborators.

биоразнообразие с няколко сътрудника.

Here's one of our field sites,

Това е едно от нашите полета на изследване

and just to give you a sense of perspective,

и само за да ви дам чувство за перспектива,

this little blue smudge here,

това малко синьо петно тук,

that's one of my collaborators.

това е един от моите сътрудници.

This is a rugged and barren landscape,

Това е скалист и пуст пейзаж

yet there are quite a few spiders here.

и все пак и тук има няколко паяка.

Turning rocks over revealed this crab spider

Обръщайки скалите открихме този раков паяк

grappling with a beetle.

борещ се с един бръмбар.

Spiders are not just everywhere,

Паяците не са само навсякъде,

but they're extremely diverse.

но те са и изключително разнообразни.

There are over 40,000 described species

Има повече от 40 000 описани видове

of spiders.

паяци.

To put that number into perspective,

За да сложим това число в перспектива,

here's a graph comparing the 40,000

това е диаграма, съпоставяща 40 000-те

species of spiders

вида паяци

to the 400 species of primates.

с 400-те вида примати.

There are two orders of magnitude more

Има два разреда повече

spiders than primates.

паяци, отколкото примати.

Spiders are also extremely old.

Паяците също така са изключително стари.

On the bottom here,

Тук в дъното,

this is the geologic timescale,

това е геологична времева скала

and the numbers on it indicate millions

и числата върху нея показват милиони

of years from the present, so the zero here,

години назад във времето, тъй че нулата тук,

that would be today.

това би било днес.

So what this figure shows is that spiders

Това, което показва тази фигура, е, че паяците

date back to almost 380 million years.

датират от преди почти 380 милиона години.

To put that into perspective, this red

За да сложим това в перспектива, тази червена

vertical bar here marks the divergence time

вертикална линия тук отбелязва времевото разклонение

of humans from chimpanzees,

на хората от шимпанзетата -

a mere seven million years ago.

преди само седем милиона години.

All spiders make silk

Всички паяци правят коприна

at some point in their life.

в някакъв момент от живота си.

Most spiders use copious amounts of silk,

Повечето паяци използват изобилно количество коприна

and silk is essential to their survival

и коприната е жизнено важна за тяхното оцеляване

and reproduction.

и възпроизвеждане.

Even fossil spiders can make silk,

Дори изкопаемите паяци правят коприна,

as we can see from this impression of

както можем да видим от този отпечатък

a spinneret on this fossil spider.

на паяжинна жлеза върху този изкопаем паяк.

So this means that both spiders

Значи това означава, че и двете - паяците

and spider silk have been around

и тяхната комприна, са съществували

for 380 million years.

преди 380 милиона години.

It doesn't take long from working with spiders

Не минава много време от работата с паяци,

to start noticing how essential silk is

за да започнеш да забелязваш колко важна е коприната

to just about every aspect of their life.

във всеки аспект от техния живот.

Spiders use silk for many purposes, including

Паяците използват коприната за много цели, включително

the trailing safety dragline,

за заден екскаватор за безопасност,

wrapping eggs for reproduction,

за обвиване на яйца за възпроизвеждане,

protective retreats

защитени отстъпления

and catching prey.

и хващане на плячка.

There are many kinds of spider silk.

Има много видове паякова коприна.

For example, this garden spider can make

Например, този градински паяк може да направи

seven different kinds of silks.

седем различни вида коприна.

When you look at this orb web, you're actually

Когато погледнете това кълбо от паяжина, всъщност

seeing many types of silk fibers.

виждате много видове копринени фибри.

The frame and radii of this web

Скелета и радиуса на тази мрежа

is made up of one type of silk,

са направени от един тип коприна,

while the capture spiral is a composite

докато захващащата спирала е съставена

of two different silks:

от две различни коприни:

the filament and the sticky droplet.

влакното и лепкавата капчица.

How does an individual spider

Как един единствен паяк

make so many kinds of silk?

прави толкова много видове коприна?

To answer that, you have to look a lot closer

За да отговорите на това, трябва да се вгледате много по-отблизо

at the spinneret region of a spider.

в региона на паяжинната жлеза на паяка.

So silk comes out of the spinnerets, and for

Значи коприната излиза от паяжинните жлези, и за

those of us spider silk biologists, this is what

нас, биолозите, занимаващи се с паякова коприна, това е, което

we call the "business end" of the spider. (Laughter)

наричаме "бизнес край" на паяка. (Смях)

We spend long days ...

Ние прекарваме дълги дни...

Hey! Don't laugh. That's my life.

Хей! Не се смейте. Това е моят живот.

(Laughter)

(Смях)

We spend long days and nights

Ние прекарваме дълги дни и нощи,

staring at this part of the spider.

започвайки от тази част на паяка.

And this is what we see.

И това е, което виждаме.

You can see multiple fibers

Може да видите многобройни фибри,

coming out of the spinnerets, because

излизащи от паяжинните жлези, защото

each spinneret has many spigots on it.

върху всяка паяжинна жлеза има много кранчета.

Each of these silk fibers exits from the spigot,

Всеки от тези копринени фибри завършва с кранчето

and if you were to trace the fiber back

и ако проследите фибрите обратно

into the spider, what you would find is that

в паяка, това, което ще намерите, е, че

each spigot connects to its own individual

всяко кранче се свързва със своя собствена

silk gland. A silk gland kind of looks like a sac

копринена жлеза. Копринената жлеза някак прилича на сак

with a lot of silk proteins stuck inside.

с много копринени протеини, натъпкани вътре.

So if you ever have the opportunity to dissect

Така че ако имате възможността да направите дисекция

an orb-web-weaving spider,

на паяк тъкач на кълбовидна мрежа,

and I hope you do,

надявам се да имате,

what you would find is a bounty

това, което ще намерите, е изобилие

of beautiful, translucent silk glands.

от красиви, полупрозрачни копринени жлези.

Inside each spider, there are hundreds

Във всеки паяк има стотици

of silk glands, sometimes thousands.

копринени жлези, понякога хиляди.

These can be grouped into seven categories.

Те могат да бъдат групирани в седем категории.

They differ by size, shape,

Различават се по размер, форма

and sometimes even color.

и понякога дори и по цвят.

In an orb-web-weaving spider,

В паяка тъкач на кълбовидна мрежа,

you can find seven types of silk glands,

може да намерите седем типа копринени жлези

and what I have depicted here in this picture,

и това, което съм изобразила тук на тази снимка,

let's start at the one o'clock position,

нека започнем от позицията на един часа,

there's tubuliform silk glands, which are used

има тръбовидни копринени жлези, които са използвани

to make the outer silk of an egg sac.

за направата на външната коприна на яйчените торбички.

There's the aggregate and flagelliform silk

Това са цялостните и бичообразни копринени

glands which combine to make the sticky

жлези, които се комбинират, за да направят лепкавото

capture spiral of an orb web.

спираловидно захващане на кълбовидната паяжина.

Pyriform silk glands make the attachment

Пириформени копринени жлези правят съединяващата

cement -- that's the silk that's used to adhere

спойка - това е коприната, която се използва за залепването

silk lines to a substrate.

на копринените линии за субстрата.

There's also aciniform silk,

Има още гроздовидна коприна,

which is used to wrap prey.

която се използва за увиването на плячката.

Minor ampullate silk is used in web construction.

Второстепенна ампулна коприна се използва за конструкцията на паяжината.

And the most studied silk line

И най-изучаваната копринена линия

of them all: major ampullate silk.

от всички тях: главната ампулна коприна.

This is the silk that's used to make the frame

Това е коприната, която е използвана за направата на рамката

and radii of an orb web, and also

и радиуса на кълбовидната паяжина и също така -

the safety trailing dragline.

на задния екскаватор за безопасност,

But what, exactly, is spider silk?

Но какво всъщност е коприната на паяка?

Spider silk is almost entirely protein.

Паяковата коприна е почти изцяло един протеин.

Nearly all of these proteins can be explained

Почти всички от тези протеини могат да бъдат обяснени

by a single gene family,

от една единствена фамилия гени,

so this means that the diversity of silk types

значи това означава, че разнообразието от типове коприна,

we see today is encoded by one gene family,

което виждаме днес е (за)кодирано от една фамилия гени,

so presumably the original spider ancestor

значи вероятно първоначалния паяк прародител

made one kind of silk,

е правил един тип коприна

and over the last 380 million years,

и през последните 380 милиона години

that one silk gene has duplicated

този единствен копринен ген се е дупликирал

and then diverged, specialized,

и тогава се е отделил, специализирал

over and over and over again, to get

отново и отново, и отново, за да достигне

the large variety of flavors of spider silks

до обширното разнообразие от паякови коприни,

that we have today.

което имаме днес.

There are several features that all these silks

Има няколко характерни черти, които всички коприни

have in common. They all have a common

притежават. Всички те имат сходен

design, such as they're all very long --

дизайн, такъв че всички са много дълги -

they're sort of outlandishly long

те са необичайно дълги,

compared to other proteins.

сравнени с други протеини.

They're very repetitive, and they're very rich

Те са много повторяеми и много богати

in the amino acids glycine and alanine.

на аминокиселините глицин и аланин.

To give you an idea of what

За да ви дам известна представа за това

a spider silk protein looks like,

как изглежда един протеин на паяковата коприна,

this is a dragline silk protein,

това е протеин на екскаватора,

it's just a portion of it,

това е само част от него,

from the black widow spider.

от паяка черна вдовица.

This is the kind of sequence that I love

Това е типа последователност, която обичам

looking at day and night. (Laughter)

да гледам ден и нощ. (Смях)

So what you're seeing here is the one letter

Това което виждате тук е еднобуквена

abbreviation for amino acids, and I've colored

съкращение за аминокиселините, и аз съм оцветила

in the glycines with green,

глицина със зелено

and the alanines in red, and so

и аланина в червено, и така

you can see it's just a lot of G's and A's.

може да видите, че е просто много Г-та и А-та.

You can also see that there's a lot of short

Също може да видите, че има много къси

sequence motifs that repeat over and over

мотиви на серии, които се повтарят отново

and over again, so for example there's a lot of

и отново, затова например има много

what we call polyalanines, or iterated A's,

от това, което наричаме полиаланин, или преповтарящи се А-та,

AAAAA. There's GGQ. There's GGY.

ААААА. Има GGQ (глицин, глицин, глутамин). Има GGY (глицин, глицин, тирозин).

You can think of these short motifs

Може да си представите тези кратки мотиви,

that repeat over and over again as words,

които се повтарят отново и отново като думи

and these words occur in sentences.

и тези думи се появяват в изречения.

So for example this would be one sentence,

И например това би било едно изречение

and you would get this sort of green region

и вие бихте получили този зелен регион

and the red polyalanine, that repeats

и червения полиаланин, който се повтаря

over and over and over again,

отново и отново, и отново,

and you can have that hundreds and

и може да имате това стотици и

hundreds and hundreds of times within

стотици, и стотици пъти

an individual silk molecule.

в една единствена копринена молекула.

Silks made by the same spider can have

Коприна, направена от същия паяк, може да има

dramatically different repeat sequences.

крайно различни повтарящи се поредици.

At the top of the screen, you're seeing

В горната част на екрана виждате

the repeat unit from the dragline silk

повтарящия се участък от екскаваторната коприна

of a garden argiope spider.

на градинския паяк Argiope.

It's short. And on the bottom,

Къс е. И в долната част,

this is the repeat sequence for the

това е повтарящата се поредица за

egg case, or tubuliform silk protein,

яйчената обвивка, или тубулообразния копринен протеин

for the exact same spider. And you can see

за точно същия паяк. Може да видите

how dramatically different

колко крайно различни

these silk proteins are -- so this is

са тези копринени протеини - това е

sort of the beauty of the diversification

един вид красотата на разнообразието

of the spider silk gene family.

на гена на фамилията на паяковата коприна.

You can see that the repeat units differ

Може да видите как повтарящите се единици се различават

in length. They also differ in sequence.

по дължина. Те също така се различават и по серии.

So I've colored in the glycines again

И аз оцветих глицина отново

in green, alanine in red, and the serines,

в зелено, аланина в червено и серина,

the letter S, in purple. And you can see

буквата S, в лилаво. И вие може да видите,

that the top repeat unit can be explained

че горната повтаряща се единица може да бъде обяснена

almost entirely by green and red,

почти изцяло в зелено и червено,

and the bottom repeat unit has

и долната повтаряща се единица има

a substantial amount of purple.

съществено количество лилаво.

What silk biologists do is we try to relate

Това, което ние, копринените биолози, правим е, че се опитваме да свържем

these sequences, these amino acid

тези поредици, тези аминокиселинни

sequences, to the mechanical properties

поредици с механичните свойства

of the silk fibers.

на копринените фибри.

Now, it's really convenient that spiders use their silk

Сега, наистина е удобно това, че паяците използват тяхната коприна

completely outside their body.

напълно извън своето тяло.

This makes testing spider silk really, really

Това прави тестването на коприната на паяците много, много

easy to do in the laboratory, because

лесно за извършване в лаборатория, защото

we're actually, you know, testing it in air

ние всъщност, знаете, я тестваме във въздуха,

that's exactly the environment that

това е именно средата, в която

spiders are using their silk proteins.

паяците използват своите копринени протеини.

So this makes quantifying silk properties by

И това прави определянето на броя на свойствата на коприната,

methods such as tensile testing, which is

чрез методи като тестването на разтегливостта, което е

basically, you know, tugging on one end

всъщност, знаете, теглене на края

of the fiber, very amenable.

на нишката, много податливо.

Here are stress-strain curves

Това са стресово-обтегнати графики

generated by tensile testing

извлечени от тестване на разтегливостта

five fibers made by the same spider.

на пет фибри, направени от един и същ паяк.

So what you can see here is that

И това, което може да видите тук, е, че

the five fibers have different behaviors.

петте фибри имат различно поведение.

Specifically, if you look on the vertical axis,

По-конкретно, ако погледнете вертикалните оси,

that's stress. If you look at the maximum

това е натиск. Ако погледнете максималната

stress value for each of these fibers,

стойност на натиска за всеки от тези фибри,

you can see that there's a lot of variation,

може да видите, че има много вариация,

and in fact dragline, or major ampullate silk,

и всъщност екскаваторната или главната ампулна коприна

is the strongest of these fibers.

е най-силната от тези фибри.

We think that's because the dragline silk,

Ние мислим, че защото екскаваторната коприна

which is used to make the frame and radii

която е използвана за направата на рамката и радиуса

for a web, needs to be very strong.

на паяжината, трябва да бъде много силна.

On the other hand, if you were to look at

От друга страна, ако погледнете

strain -- this is how much a fiber can be

обтягането - ето колко една фибра може да бъде

extended -- if you look at the maximum value

разширено - ако погледнете максималната стойност

here, again, there's a lot of variation

тук, отново има много вариация

and the clear winner is flagelliform,

и явният победител е бичобразната,

or the capture spiral filament.

или хващащото спираловидно влакно.

In fact, this flagelliform fiber can

Всъщност, тази бичообразна фибра може

actually stretch over twice its original length.

да се разтегне два пъти оригиналната си дължина.

So silk fibers vary in their strength

Значи копринените фибри се различават по своята сила

and also their extensibility.

и също така по своята разтегливост.

In the case of the capture spiral,

В случая на захващащата спирала,

it needs to be so stretchy to absorb

тя има нужда да е разтеглива, за да абсорбира

the impact of flying prey.

въздействието на летящата плячка.

If it wasn't able to stretch so much, then

Ако не беше способна да се разтяга толкова, тогава

basically when an insect hit the web,

когато насекомо се удари в мрежата,

it would just trampoline right off of it.

то просто ще отскочи обратно от нея.

So if the web was made entirely out of

Значи, ако мрежата беше изцяло направена от

dragline silk, an insect is very likely to just

екскаваторна коприна, много е вероятно насекомото просто

bounce right off. But by having really, really

да отскочи обратно. Но имайки много, много

stretchy capture spiral silk, the web is actually

разтеглива копринена захващаща спирала, тази паяжина е

able to absorb the impact

способна да абсорбира въздействието

of that intercepted prey.

на тази уловена жертва.

There's quite a bit of variation within

Има известна вариация във

the fibers that an individual spider can make.

фибрите, които един единствен паяк може да направи.

We call that the tool kit of a spider.

Ние наричаме това инструменталния комплект на паяка.

That's what the spider has

Това е, което паякът има,

to interact with their environment.

за да взаимодейства със своята околна среда.

But how about variation among spider

А какво да кажем за разнообразието измежду

species, so looking at one type of silk

видовете паяци, като гледаме един тип коприна

and looking at different species of spiders?

и гледаме различни видове паяци?

This is an area that's largely unexplored

Това е област, която е до голяма степен неизследвана,

but here's a little bit of data I can show you.

но има малко информация, която мога да ви покажа.

This is the comparison of the toughness

Това е сравнението на здравината

of the dragline spilk spun

на екскаваторната коприна

by 21 species of spiders.

на 21 вида паяци.

Some of them are orb-weaving spiders and

Някои от тях са паяци тъкачи на кълбовидни мрежи,

some of them are non-orb-weaving spiders.

а някои от тях - не са.

It's been hypothesized that

Предполага се, че

orb-weaving spiders, like this argiope here,

паяците тъкачи на кълбовидни мрежи, като този Argiope тук,

should have the toughest dragline silks

би трябвало да имат най-здравите екскаваторни коприни,

because they must intercept flying prey.

защото те трябва да улавят летяща плячка.

What you see here on this toughness graph

Това, което виждате на тази графика на здравината,

is the higher the black dot is on the graph,

е, че колкото по-нависоко е черната точка на графиката,

the higher the toughness.

толкова по-значителна е здравината.

The 21 species are indicated here by this

21-те видове са посочени тук чрез тази

phylogeny, this evolutionary tree, that shows

филогенеза, това еволюционно дърво, което показва

their genetic relationships, and I've colored

техните генетични връзки и аз съм оцветила

in yellow the orb-web-weaving spiders.

в жълто паяците тъкачи на кълбовидни мрежи.

If you look right here at the two red arrows,

Ако погледнете точно тук към тези две червени стрелки,

they point to the toughness values

те сочат стойностите на здравината

for the draglines of nephila clavipes and

на екскаваторната коприна на Nephila Clavipes и

araneus diadematus.

Araneus Diadematus.

These are the two species of spiders

Това са двата вида паяци,

for which the vast majority of time and money

за които голяма част от времето и парите

on synthetic spider silk research has been

за изследването на синтетична паякова коприна, са били

to replicate their dragline silk proteins.

за репликирането на техните екскаваторни копринени протеини.

Yet, their draglines are not the toughest.

И все пак техните екскаваторни коприни не са най-здравите.

In fact, the toughest dragline in this survey

Всъщност най-здравата екскаваторна коприна от общия преглед

is this one right here in this white region,

е ето тази тук в тази бяла част,

a non orb-web-weaving spider.

не на паяка тъкач на къкбовидна мрежа.

This is the dragline spun by scytodes,

Това е екскаваторната коприна на Scytodes,

the spitting spider.

плюещия паяк.

Scytodes doesn't use a web at all

Scytodes изобщо не използва мрежа,

to catch prey. Instead, scytodes

за да хваща плячка. Вместо това Scytodes

sort of lurks around and waits for prey

един вид се спотаява наоколо и чака жертвата

to get close to it, and then immobilizes prey

да се приближи до него и тогава обездвижва жертвата,

by spraying a silk-like venom onto that insect.

пръскайки с подобна на коприна отрова това насекомо.

Think of hunting with silly string.

Представете си го като ловуване със смешна връв.

That's how scytodes forages.

Ето как Scytodes търси храна.

We don't really know why scytodes

Ние всъщност не знаем защо Scytodes

needs such a tough dragline,

има нужда от толкова здрав екскаватор,

but it's unexpected results like this that make

но неочаквани резултати като този правят

bio-prospecting so exciting and worthwhile.

биопроспекцията толкова вълнуваща и заслужаваща си.

It frees us from the constraints

Тя ни освобождава от ограниченията

of our imagination.

на нашето въображение.

Now I'm going to mark on

Сега ще маркирам

the toughness values for nylon fiber,

стойността на здравината на найлоновата фибра,

bombyx -- or domesticated silkworm silk --

Bombyx - или коприната на домашната копринена буба -

wool, Kevlar, and carbon fibers.

вълна, кевлар и въглеродни фибри.

And what you can see is that nearly

И това, което може да видите е, че почти

all the spider draglines surpass them.

всички паякови екскаватори ги надминават.

It's the combination of strength, extensibility

Именно комбинацията от сила, разтегливост

and toughness that makes spider silk so

и здравина правят паяковата коприна толкова

special, and that has attracted the attention

специална, и това е привлякло вниманието

of biomimeticists, so people that turn

на биомиметистите, така че хората да се обърнат

to nature to try to find new solutions.

към природата, за да се опитат да намерят нови решения.

And the strength, extensibility and toughness

И силата, разтегливостта и здравината

of spider silks combined with the fact that

на паяковата коприна, комбинирани с факта, че

silks do not elicit an immune response,

коприните не предизвикват имунен отговор,

have attracted a lot of interest in the use

е привлякло много интерес в използването

of spider silks in biomedical applications,

на паякова коприна за биомедицински приложения,

for example, as a component of

например като компонент от

artificial tendons, for serving as

изкуствени сухожилия, за да служат като

guides to regrow nerves, and for

гидове за повторното израстване на нерви и за

scaffolds for tissue growth.

скелета за растеж на тъкани.

Spider silks also have a lot of potential

Паяковата коприна също има много потенциал

for their anti-ballistic capabilities.

заради своите антибалистични способности.

Silks could be incorporated into body

Коприните могат да бъдат включени в телово

and equipment armor that would be more

и бронирано оборудване, което ще бъде по-леко

lightweight and flexible

и пластично

than any armor available today.

от която и да е броня, достъпна днес.

In addition to these biomimetic

В добавка на тези биомимични

applications of spider silks,

приложения на паяковата коприна,

personally, I find studying spider silks

лично аз намирам изучаването на паяковата коприна

just fascinating in and of itself.

просто пленително само по себе си.

I love when I'm in the laboratory,

Обичам, когато съм в лабораторията и

a new spider silk sequence comes in.

ново серия паякова коприна пристигне.

That's just the best. (Laughter)

Това е просто най-доброто. (Смях)

It's like the spiders are sharing

То е все едно паяците споделят

an ancient secret with me, and that's why

древна тайна с мен и ето защо

I'm going to spend the rest of my life

аз ще прекарам остатъка от живота си,

studying spider silk.

изучавайки паяковата коприна.

The next time you see a spider web,

Следващия път, когато видите паякова мрежа,

please, pause and look a little closer.

моля, спрете и погледнете малко по-отблизо.

You'll be seeing one of the most

Вие ще гледате един от най-високо

high-performance materials known to man.

производителните материали, познати на човека.

To borrow from the writings

Взето от написаното

of a spider named Charlotte,

за един паяк, наречен Шарлот -

silk is terrific.

коприната е удивителна.

Thank you. (Applause)

Благодаря ви. (Аплодисменти)

(Applause)

(Аплодисменти)