Cheryl Hayashi: The magnificence of spider silk

Fordító: Orsolya Kiss Lektor: Péter Pallós

I'm here to spread the word about the

Mai előadásom a pókokról szól.

magnificence of spiders

Csodálatos állatok,

and how much we can learn from them.

s rengeteget tanulhatunk tőlük.

Spiders are truly global citizens.

A pókok igazi világpolgárok.

You can find spiders in nearly

Szinte minden szárazföldi

every terrestrial habitat.

élőhelyen megtalálhatóak.

This red dot marks

Ez a piros folt

the Great Basin of North America,

az észak-amerikai Nagy-medencét jelzi.

and I'm involved with an alpine biodiversity

Egy ott működő biodiverzitás

project there with some collaborators.

projektben dolgozom kollégáimmal.

Here's one of our field sites,

A képen az egyik helyszínt láthatják.

and just to give you a sense of perspective,

S hogy a léptéket is érzékeltessem:

this little blue smudge here,

ez a kis kék folt középen

that's one of my collaborators.

az egyik kollégám kabátja.

This is a rugged and barren landscape,

Zord és meddő táj ez,

yet there are quite a few spiders here.

s mégis sok pókfajta él itt.

Turning rocks over revealed this crab spider

Az egyik szikladarab alatt

grappling with a beetle.

bogárral birkózó karolópókot találtunk.

Spiders are not just everywhere,

A pókok bárhol megélnek,

but they're extremely diverse.

és rendkívül sok fajuk van.

There are over 40,000 described species

Egészen pontosan több mint 40 000

of spiders.

pókfajt ismerünk.

To put that number into perspective,

Szemléltetésként a kép alatti

here's a graph comparing the 40,000

oszlopgrafikon összeveti

species of spiders

a 40 000 pókfajt a főemlősök

to the 400 species of primates.

400 fajának számával.

There are two orders of magnitude more

Két nagyságrenddel több

spiders than primates.

pókfajt ismerünk.

Spiders are also extremely old.

A pókok rendkívül régi faj.

On the bottom here,

A diagram alján

this is the geologic timescale,

a földtörténeti időskálát láthatják.

and the numbers on it indicate millions

A számok jelentől számított

of years from the present, so the zero here,

évmilliókat jelölnek.

that would be today.

A nulla pedig a jelent jelzi.

So what this figure shows is that spiders

Az ábra az mutatja, hogy a pókok

date back to almost 380 million years.

több, mint 380 millió évvel ezelőtt jelentek meg a Földön.

To put that into perspective, this red

Összehasonlításképpen

vertical bar here marks the divergence time

ez a vörös függőleges vonal azt jelzi,

of humans from chimpanzees,

hogy mikor vált el az ember a csimpánzfajoktól.

a mere seven million years ago.

Tehát mindössze hétmillió éve.

All spiders make silk

Minden pókfaj sző pókselymet

at some point in their life.

az élete során.

Most spiders use copious amounts of silk,

Szinte minden pókfaj temérdek pókselymet használ,

and silk is essential to their survival

mert a pókselyem túlélésük és szaporodásuk

and reproduction.

alapvető feltétele.

Even fossil spiders can make silk,

Már az őspókok is szőttek pókselymet.

as we can see from this impression of

Ezen a kövületen jól látszódnak

a spinneret on this fossil spider.

a kitüremkedő fonószemölcsök.

So this means that both spiders

Tehát a pókok

and spider silk have been around

és a pókselyem is

for 380 million years.

több, mint 380 millió éve létezik.

It doesn't take long from working with spiders

A pókászok gyorsan felfigyelnek arra,

to start noticing how essential silk is

hogy a pókselyem nélkülözhetetlen

to just about every aspect of their life.

a pókok életének minden területén.

Spiders use silk for many purposes, including

A pókok sokféleképpen használják a pókselymet.

the trailing safety dragline,

Például biztonsági kötélnek,

wrapping eggs for reproduction,

de ebbe csomagolják petéiket is,

protective retreats

fészket készítenek belőle pihenőhelynek

and catching prey.

és pókselyemmel vadásznak.

There are many kinds of spider silk.

Sokféle pókselyem létezik.

For example, this garden spider can make

Ez a keresztespók például

seven different kinds of silks.

hétféle selymet tud előállítani.

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

Ha megnézik ezt a kerekhálót,

seeing many types of silk fibers.

nem is sejthetik, de többféle selyemszálat látnak.

The frame and radii of this web

Hálója keretét és küllőit

is made up of one type of silk,

egy bizonyos selyemből szőtte a pók,

while the capture spiral is a composite

míg a zsákmányfogásra szolgáló

of two different silks:

fogóspirál kétfélét is tartalmaz:

the filament and the sticky droplet.

magát a szálat, és a ragacs-cseppeket.

How does an individual spider

Hogyan képes egyetlen pók

make so many kinds of silk?

többféle selyem előállítására?

To answer that, you have to look a lot closer

Erre a kérdésre úgy találunk választ,

at the spinneret region of a spider.

ha közelről megnézzük a fonószemölcseiket.

So silk comes out of the spinnerets, and for

Ezekből buggyan elő a selyem.

those of us spider silk biologists, this is what

Mi, pókászok a potrohot ezért csak

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

a pók "serény felének" nevezzük. (Nevetés)

We spend long days ...

Hosszú napokon keresztül...

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

Min nevetnek? Nekem ez az életem.

(Laughter)

(Nevetés)

We spend long days and nights

Hosszú napokon és éjszakákon keresztül

staring at this part of the spider.

mustráljuk a pókok hátsó fertályát,

And this is what we see.

és a következőket állapíthatjuk meg.

You can see multiple fibers

A fonószemölccsel többféle

coming out of the spinnerets, because

selyemszálat tud előállítani,

each spinneret has many spigots on it.

mert mindegyiken sok kis cséve van.

Each of these silk fibers exits from the spigot,

Mindegyik szál egy-egy csévéből jön,

and if you were to trace the fiber back

s ha megpróbáljuk útját visszafelé,

into the spider, what you would find is that

a potroh felé követni, azt vesszük észre,

each spigot connects to its own individual

hogy mindegyik cséve egy-egy

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

szövőmirigyhez vezet. Maga a mirigy

with a lot of silk proteins stuck inside.

kis zsákra hasonlít, és sok fehérje lapul benne.

So if you ever have the opportunity to dissect

Ha egyszer lehetőségük nyílik

an orb-web-weaving spider,

egy kerekhálós pók felboncolására,

and I hope you do,

– remélem, valóban akad rá alkalmuk –,

what you would find is a bounty

sok-sok gyönyörű, áttetsző

of beautiful, translucent silk glands.

szövőmirigyre bukkanhatnak a pók potrohának belsejében.

Inside each spider, there are hundreds

Több száz, néha akár

of silk glands, sometimes thousands.

több ezer ilyen mirigyre.

These can be grouped into seven categories.

Ezeket hét kategóriára oszthatjuk.

They differ by size, shape,

Méretük, formájuk

and sometimes even color.

és színük különbözik.

In an orb-web-weaving spider,

Egy kerekhálós pók

you can find seven types of silk glands,

hétféle szövőmiriggyel rendelkezik.

and what I have depicted here in this picture,

A következő ábrán láthatják őket,

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

kezdjük, mondjuk, egy óránál:

there's tubuliform silk glands, which are used

ott hengeres szövőmirigyeket láthatnak.

to make the outer silk of an egg sac.

A selymükből a petecsomag burka készül.

There's the aggregate and flagelliform silk

Továbbá az összetett ostorszerű mirigyek,

glands which combine to make the sticky

melyek selyme együttesen

capture spiral of an orb web.

a ragacsos zsákmányfogó spirált képezi.

Pyriform silk glands make the attachment

A körte alakú szövőmirigyek

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

a kötőcementet választják ki. Ez a selyem rögzíti

silk lines to a substrate.

a selyemszálakat az alaphoz.

There's also aciniform silk,

A bogyóformájú mirigy selymébe

which is used to wrap prey.

csomagolják a pókok a zsákmányukat.

Minor ampullate silk is used in web construction.

A kis öblös mirigy selyme a hálószövésnél

And the most studied silk line

játszik nagy szerepet. A legtöbbet azonban

of them all: major ampullate silk.

a nagy öblös mirigy selymét tanulmányozzuk.

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

Ez a selyem alkotja a háló keretét

and radii of an orb web, and also

és küllőit, valamint

the safety trailing dragline.

a biztonsági köteleket is.

But what, exactly, is spider silk?

De tulajdonképpen mi a pókselyem?

Spider silk is almost entirely protein.

Szinte kizárólag fehérjéből áll.

Nearly all of these proteins can be explained

Szinte mindegyik ilyen selyemfehérje

by a single gene family,

egyetlen géncsaládra vezethető vissza.

so this means that the diversity of silk types

Ez azt jelenti, hogy a ma ismert sokféle

we see today is encoded by one gene family,

selymet egyetlen géncsalád kódolja.

so presumably the original spider ancestor

Tehát, valószínűleg az őspókok

made one kind of silk,

egyféle selymet készítettek.

and over the last 380 million years,

A 380 millió évnyi fejlődés alatt

that one silk gene has duplicated

ez a selyemgén megduplázódott,

and then diverged, specialized,

majd mutálódott, specializálódott,

over and over and over again, to get

újra és újra, mindaddig,

the large variety of flavors of spider silks

amíg a ma ismert sokféle

that we have today.

különböző pókselyem létre nem jött.

There are several features that all these silks

Sok közös tulajdonságuk van

have in common. They all have a common

a pókselymeknek. Például

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

az alapszerkezetük. A bennük található

they're sort of outlandishly long

fehérjék mondhatni szokatlanul hosszúak

compared to other proteins.

a többi fehérjéhez képest.

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

Gazdagok glicinben és alaninben,

in the amino acids glycine and alanine.

szinte csak e két aminosav

To give you an idea of what

ismétlődéséből állnak. Hogy érzékeltessem,

a spider silk protein looks like,

a pókselyem-fehérje szerkezetét,

this is a dragline silk protein,

itt egy biztonsági kötelet láthatnak.

it's just a portion of it,

Pontosabban, csak a részletét.

from the black widow spider.

Konkrétan egy fekete özvegy selymét.

This is the kind of sequence that I love

Ez az ám a nekem való szekvencia!

looking at day and night. (Laughter)

Éjjel-nappal tudnám nézni! (Nevetés)

So what you're seeing here is the one letter

Az ábrán minden aminosav

abbreviation for amino acids, and I've colored

egy-egy betűvel és színnel van jelölve.

in the glycines with green,

A glicinek zöldek,

and the alanines in red, and so

az alaninok pirosak, s így jól látszik,

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

hogy csak G-ből és A-ból áll a fehérje.

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

Azt is megfigyelhetik, hogy sok-sok

sequence motifs that repeat over and over

rövid szekvencia ismétlődik újra és újra.

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

Például, egészen sok

what we call polyalanines, or iterated A's,

polialanin van, vagy ún. iterált alanin,

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

AAAAA. Vagy pl GGQ. Amott pedig GGY.

You can think of these short motifs

Ezek a rövidebb szekvenciák,

that repeat over and over again as words,

kicsit olyanok, mint a szavak,

and these words occur in sentences.

amelyek mondatokká állnak össze.

So for example this would be one sentence,

Pl. ez a szekvencia itt olyan, mint egy mondat,

and you would get this sort of green region

és egy pókselyemfehérjén belül

and the red polyalanine, that repeats

az ilyen zöld és piros régiók

over and over and over again,

váltakoznak és ismétlődnek,

and you can have that hundreds and

akár százszor is, vagy tízezerszer,

hundreds and hundreds of times within

akár egyetlen

an individual silk molecule.

pókselyem-molekulában.

Silks made by the same spider can have

Ugyanazon pók által szőtt fonálszálak is

dramatically different repeat sequences.

teljesen eltérő szekvenciákból állhatnak.

At the top of the screen, you're seeing

A képernyő tetején

the repeat unit from the dragline silk

egy darázspók biztonsági kötelének

of a garden argiope spider.

ismétlődő szekvenciáit látják.

It's short. And on the bottom,

Rövid szekvencia. Alul pedig,

this is the repeat sequence for the

ugyanazon példány

egg case, or tubuliform silk protein,

petecsomagburkának fehérjéjét,

for the exact same spider. And you can see

azaz a hengerszerű mirigy selymét.

how dramatically different

Mennyire radikálisan különbözőek

these silk proteins are -- so this is

ezek a pókselyemfehérjék!

sort of the beauty of the diversification

Számomra ez a pókselymet kódoló géncsalád

of the spider silk gene family.

sokféleségének legszebbje.

Látják: az ismétlődő egységek hossza

You can see that the repeat units differ

in length. They also differ in sequence.

különböző. De a szekvenciáké is.

So I've colored in the glycines again

Ismét zöldre színeztem a glicineket,

in green, alanine in red, and the serines,

az alaninokat pirosra, a szerineket

the letter S, in purple. And you can see

pedig, amit az S betű jelöl, lilára.

that the top repeat unit can be explained

Figyeljék meg, hogy a felső ismétlődő

almost entirely by green and red,

szekvencia szinte csak zöldből és pirosból áll,

and the bottom repeat unit has

míg az alsóban van

a substantial amount of purple.

egy jó nagy adag lila is.

What silk biologists do is we try to relate

Mi, selyembiológusok

a fehérjeszekvenciák szerkezete

these sequences, these amino acid

sequences, to the mechanical properties

és a fonál mechanikai tulajdonságai

of the silk fibers.

közti összefüggéseket keressük.

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

Kapóra jön nekünk, hogy a pókok

completely outside their body.

a selymüket testükön kívül használják fel.

This makes testing spider silk really, really

így rendkívül egyszerű

easy to do in the laboratory, because

laboratóriumban kísérletezni velük.

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

Pont ugyanolyan körülmények

that's exactly the environment that

között, mint a természetben,

spiders are using their silk proteins.

ahol a pókok a selymet használják.

So this makes quantifying silk properties by

Emiatt rendkívül könnyen meghatározhatjuk

methods such as tensile testing, which is

a pókselymet mennyiségileg,

basically, you know, tugging on one end

például szakító-szilárdság szempontjából,

of the fiber, very amenable.

ami nagyjából azt jelenti, hogy húzzuk a szál egyik végét.

Here are stress-strain curves

Az ábrán görbéket láthatnak,

generated by tensile testing

ugyanazon pók ötféle selymének

five fibers made by the same spider.

szakítószilárdságát mutatja.

So what you can see here is that

Megfigyelhetik, hogy mind az ötféle

the five fibers have different behaviors.

selyem máshogy viselkedik.

Specifically, if you look on the vertical axis,

A függőleges tengely például

that's stress. If you look at the maximum

a feszültséget jelöli. Figyeljék meg,

stress value for each of these fibers,

hogy a maximális feszültség értéke

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

mindegyik selyem esetében más.

and in fact dragline, or major ampullate silk,

A biztonsági kötelek pókfonala,

is the strongest of these fibers.

a nagy öblös mirigy selyme a legerősebb.

We think that's because the dragline silk,

Úgy véljük, azért van ez így,

which is used to make the frame and radii

mert a háló keretét és küllőit alkotó

for a web, needs to be very strong.

selyemnek erősnek kell lennie.

On the other hand, if you were to look at

Ha azonban a terhelést nézik,

strain -- this is how much a fiber can be

tehát azt, hogy mennyit tud nyúlni

extended -- if you look at the maximum value

egy adott szál –, a maximális

here, again, there's a lot of variation

értékek itt is sokfélék.

and the clear winner is flagelliform,

Itt viszont a fogóspirált alkotó

or the capture spiral filament.

ostorszerű mirigy selyme a legerősebb.

In fact, this flagelliform fiber can

Ez a fajta pókselyem eredeti hosszának

actually stretch over twice its original length.

akár kétszeresére is nyúlhat.

So silk fibers vary in their strength

Tehát a pókselymek szakítószilárdsága

and also their extensibility.

és rugalmassága is változó.

In the case of the capture spiral,

A fogóspirálnak rugalmasnak kell lennie,

it needs to be so stretchy to absorb

hogy elbírja

a becsapódó zsákmány erejét.

the impact of flying prey.

Ha nem lenne ennyire nyúlékony,

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

akkor a becsapódó rovar egyszerűen

basically when an insect hit the web,

it would just trampoline right off of it.

lepattanna róla.

So if the web was made entirely out of

Ha a háló csak biztonsági kötélből állna,

dragline silk, an insect is very likely to just

akkor a rovar egyszerűen lepattanna.

bounce right off. But by having really, really

De a zsákmányfogó spirál pókselyme

stretchy capture spiral silk, the web is actually

annyira nyúlékony, hogy a háló

able to absorb the impact

elbírja az elfogott zsákmány

of that intercepted prey.

becsapódásának a hatását.

There's quite a bit of variation within

Még az ugyanazon pók által készített

the fibers that an individual spider can make.

selymek is rendkívül változatosak.

We call that the tool kit of a spider.

Ezt nevezzük a pók eszközkészletének.

That's what the spider has

Azok tartoznak ide, melyekkel a pók

to interact with their environment.

a környezetével érintkezik.

De vajon ugyanilyen

But how about variation among spider

változatosak-e a különböző

species, so looking at one type of silk

and looking at different species of spiders?

pókfajok selymei is?

This is an area that's largely unexplored

Erről a területről csak

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

kevés adat áll a rendelkezésünkre.

This is the comparison of the toughness

Ez az ábra huszonegyféle pók

of the dragline spilk spun

biztonsági kötelének erejét

by 21 species of spiders.

hasonlítja össze.

Some of them are orb-weaving spiders and

Van köztük kerekhálós pók,

some of them are non-orb-weaving spiders.

és néhány más hálókészítő pók is.

It's been hypothesized that

Volt olyan feltételezés, mely szerint

orb-weaving spiders, like this argiope here,

a kerekhálós pókok hálójában kellene

should have the toughest dragline silks

a legerősebb biztonsági kötélnek lennie,

because they must intercept flying prey.

mert repülő zsákmányt kell elfogniuk.

What you see here on this toughness graph

Ezen az erősséget ábrázoló

is the higher the black dot is on the graph,

diagramon minél magasabban van

the higher the toughness.

a fekete pont, annál erősebb a selyemfonál.

The 21 species are indicated here by this

A huszonegy fajt ez a törzsfejlődési ábra,

phylogeny, this evolutionary tree, that shows

azaz evolúciós törzsfa mutatja,

their genetic relationships, and I've colored

ezen láthatók a genetikai kapcsolatok is.

in yellow the orb-web-weaving spiders.

A kerekhálós pókokat sárgával jelöltem.

If you look right here at the two red arrows,

Ez a két piros nyíl

they point to the toughness values

az aranyhálós keresztespók és a koronás keresztespók

for the draglines of nephila clavipes and

biztonsági köteléhez kapcsolódó

araneus diadematus.

értékekre mutat.

These are the two species of spiders

A szintetikus pókselyem előállítására

for which the vast majority of time and money

fordított idő és pénz többsége

on synthetic spider silk research has been

e két faj selymének

to replicate their dragline silk proteins.

mesterséges előállítására ment el.

Yet, their draglines are not the toughest.

Azonban nem ezek a fonalak a legerősebbek.

In fact, the toughest dragline in this survey

E szerint a felmérés szerint, itt a fehér területen látjuk,

is this one right here in this white region,

a legerősebb pókfonalat

a non orb-web-weaving spider.

nem kerekhálós pók készíti.

This is the dragline spun by scytodes,

A fajt csupaszpóknak hívják,

the spitting spider.

angol beceneve "köpködő pók".

Scytodes doesn't use a web at all

A csupaszpók egyáltalán nem sző hálót.

to catch prey. Instead, scytodes

Helyette elrejtőzik, és arra vár,

sort of lurks around and waits for prey

hogy közel kerülhessen

to get close to it, and then immobilizes prey

a zsákmányához, majd selyemszerű

by spraying a silk-like venom onto that insect.

méreggel befújja.

Think of hunting with silly string.

Kicsit olyan, mint a Pókember stratégiája,

That's how scytodes forages.

aki ellenfeleit hálóval fogja el.

We don't really know why scytodes

Azt nem tudjuk, hogy a csupaszpók

needs such a tough dragline,

miért sző ennyire erős fonalat.

but it's unexpected results like this that make

De pontosan e váratlan eredmények miatt

bio-prospecting so exciting and worthwhile.

ennyire izgalmas és értékes a biokutatás.

It frees us from the constraints

Felszabadítja

of our imagination.

a képzeletünket.

Now I'm going to mark on

Összehasonlításképpen

the toughness values for nylon fiber,

berajzolom most a nejlonszál,

bombyx -- or domesticated silkworm silk --

a bombyx – a házi selyemhernyó selyme –,

wool, Kevlar, and carbon fibers.

a gyapjú, a kevlár és a szénszál szilárdsági értékeit is.

And what you can see is that nearly

Megfigyelhetik, hogy szinte

all the spider draglines surpass them.

bármelyik pókselyemszál sokkalta erősebb.

It's the combination of strength, extensibility

Ezért is ennyire különleges anyag.

and toughness that makes spider silk so

Egyszerre rugalmas, erős és nagy szakítószilárdságú.

special, and that has attracted the attention

Ezért figyeltek fel rá

of biomimeticists, so people that turn

a bionikusok, tehát azok a kutatók,

to nature to try to find new solutions.

akik az innovatív megoldásokat a természetben keresik.

And the strength, extensibility and toughness

Azonfelül, hogy a pókselyem

of spider silks combined with the fact that

erős, szilárd és rugalmas,

silks do not elicit an immune response,

nem vált ki immunreakciót sem.

have attracted a lot of interest in the use

Emiatt sokféle biomedikus

of spider silks in biomedical applications,

alkalmazása is lehetne.

for example, as a component of

Például, mesterséges inak

artificial tendons, for serving as

egyik fontos alapanyagává válhatna.

guides to regrow nerves, and for

De irányíthatná az idegek újranövekedését is,

scaffolds for tissue growth.

vagy mint a szövetek növekedését szolgáló egyféle állványzat.

Spider silks also have a lot of potential

A pókselymek fontosak

for their anti-ballistic capabilities.

golyóálló tulajdonságuk miatt is.

Silks could be incorporated into body

A pókselymet be lehetne építeni

and equipment armor that would be more

golyóálló viseletbe és burkolatokba,

lightweight and flexible

amelyek ezáltal könnyebbek és

than any armor available today.

rugalmasabbak lennének, mint bármilyen ma kapható szövet.

In addition to these biomimetic

Ezeken a biomimetikus

applications of spider silks,

alkalmazásokon túl számomra

personally, I find studying spider silks

a pókselyem tanulmányozása

just fascinating in and of itself.

önmagában is érdekfeszítő.

I love when I'm in the laboratory,

A legszebb pillanat az, mikor épp a laborban ülök,

a new spider silk sequence comes in.

és egy új pókselyem génszekvencia érkezik.

That's just the best. (Laughter)

Életem legszebb pillanatai ezek! (Nevetés)

It's like the spiders are sharing

Olyan, mintha a pókok

an ancient secret with me, and that's why

egy ősi titkot osztanának meg velem.

I'm going to spend the rest of my life

Ezért fogom én az életem hátralevő részét

studying spider silk.

pókselymek tanulmányozásával tölteni.

The next time you see a spider web,

Mikor legközelebb pókhálóra bukkannak,

please, pause and look a little closer.

kérem, álljanak meg egy pillanatra.

You'll be seeing one of the most

Nézzék meg közelebbről.

high-performance materials known to man.

A természet egyik legsokoldalúbb anyagát szemlélik.

To borrow from the writings

Ahogy Charlotte, a pók

of a spider named Charlotte,

is megírta:

silk is terrific.

a pókselyem csuda klassz.

Köszönöm a figyelmüket. (Taps)

Thank you. (Applause)

(Applause)

(Taps)