Cheryl Hayashi: The magnificence of spider silk

シェリル・ハヤシ「クモの糸の壮麗さ」

翻訳: Akinori Oyama 校正: Takahiro Shimpo

I'm here to spread the word about the

クモの壮麗さを伝え

magnificence of spiders

クモがもっている特徴から

and how much we can learn from them.

どれほど多くのことが学べるのかお話しします

Spiders are truly global citizens.

クモは本当に全世界に生息します

You can find spiders in nearly

地球上のほとんどの場所に

every terrestrial habitat.

クモがいるのが分かります

This red dot marks

画面上の赤い点は 北米の

the Great Basin of North America,

グレートベースン国立公園です

and I'm involved with an alpine biodiversity

そこで高山地帯の生命多様性を

project there with some collaborators.

共同研究者と研究しています

Here's one of our field sites,

これは研究場所の１か所です

and just to give you a sense of perspective,

青色のぼんやりとした点が見えますか？

this little blue smudge here,

あれが研究者の１人と言えば

that's one of my collaborators.

広大さを掴んでもらえますでしょうか

This is a rugged and barren landscape,

こういった岩だらけの不毛地帯ですら

yet there are quite a few spiders here.

多くの種のクモが生息しています

Turning rocks over revealed this crab spider

岩をひっくり返すと 甲虫と組み合っている

grappling with a beetle.

カニグモがでてきます

Spiders are not just everywhere,

クモは世界中の様々な環境に分布するだけでなく

but they're extremely diverse.

非常に多様性に富んでいます

There are over 40,000 described species

今までに 40000種以上が

of spiders.

発見されています

To put that number into perspective,

霊長目が400種程度な一方

here's a graph comparing the 40,000

クモは40000種いることを

species of spiders

グラフにするとその差を掴んでもらえるでしょうか

to the 400 species of primates.

グラフにするとその差を掴んでもらえるでしょうか

There are two orders of magnitude more

数字で２桁の違いがあるほど

spiders than primates.

霊長目よりも クモが多いのです

Spiders are also extremely old.

クモは非常に古くから存在する種です

On the bottom here,

この表の下には

this is the geologic timescale,

地球誕生からの時間軸があります

and the numbers on it indicate millions

目盛の数字は４百万年前から現在を

of years from the present, so the zero here,

示しています 右下のゼロは

that would be today.

現在を表しています

So what this figure shows is that spiders

この表が示すように

date back to almost 380 million years.

クモの起源は３億８千万年前に遡ります

To put that into perspective, this red

全体から見ると 右下の

vertical bar here marks the divergence time

赤色の縦棒あたりが人類の起源です

of humans from chimpanzees,

人とチンパンジーが分化したのは

a mere seven million years ago.

たった７百万年前でしかありません

All spiders make silk

全てのクモが

at some point in their life.

生活の中で糸を生成します

Most spiders use copious amounts of silk,

ほとんどのクモが生存や繁殖に 多量の糸を使います

and silk is essential to their survival

この糸は欠かすことができません

and reproduction.

とても重要なものなんです

Even fossil spiders can make silk,

太古のクモでさえ糸を使用しています

as we can see from this impression of

出糸突起のようなものを

a spinneret on this fossil spider.

この化石のクモにも認めることができます

So this means that both spiders

このことから クモもクモの糸も

and spider silk have been around

3億8千万年もの間

for 380 million years.

存在していることになります

It doesn't take long from working with spiders

クモの生活のまさに全てにおいて

to start noticing how essential silk is

糸が必需品であることは

to just about every aspect of their life.

研究すればすぐに気がつきます

Spiders use silk for many purposes, including

様々な目的に使っています　例えば

the trailing safety dragline,

牽引糸でぶら下がる為に

wrapping eggs for reproduction,

繁殖時の卵を覆う為に

protective retreats

隠れ家を作る為に

and catching prey.

そして餌を捕まえる為に使います

There are many kinds of spider silk.

糸の種類も数多くあります

For example, this garden spider can make

例えば 画面のニワオニグモは７種類の

seven different kinds of silks.

糸を生成できます

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

クモの巣を見れば

seeing many types of silk fibers.

多様な糸の繊維が見えてきます

The frame and radii of this web

巣の枠糸と放射線上の縦糸は

is made up of one type of silk,

１つの糸種で出来ていて

while the capture spiral is a composite

らせん状の捕獲部(横糸)は

of two different silks:

２つの糸種で出来ています

the filament and the sticky droplet.

線のようなフィラメントと粘球で出来ています

How does an individual spider

どのようにして 一匹のクモが

make so many kinds of silk?

これほど多くの種類の糸を生成するのでしょうか？

To answer that, you have to look a lot closer

その答えを見つけるには

at the spinneret region of a spider.

出糸突起部分の観察が必要です

So silk comes out of the spinnerets, and for

糸は 出糸突起から吐出されます

those of us spider silk biologists, this is what

この部分を我々クモ糸の学者は

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

「営業窓口(先端部)」と読んでいます(笑)

We spend long days ...

学者は長時間...

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

ちょっと 笑わないで 真剣に取り組んでいるんです(笑)

(Laughter)

ちょっと 笑わないで 真剣に取り組んでいるんです(笑)

We spend long days and nights

学者は長時間昼夜を問わず

staring at this part of the spider.

クモの先端部を観察しています

And this is what we see.

画面に出ているこれを見ています

You can see multiple fibers

複数の繊維が出糸突起から

coming out of the spinnerets, because

出ているのがわかります

each spinneret has many spigots on it.

各々の出糸突起に多くの糸いぼ(発射口)があるのです

Each of these silk fibers exits from the spigot,

各種の糸繊維が糸いぼから外に出るのですが

and if you were to trace the fiber back

もし繊維の根元まで辿れば

into the spider, what you would find is that

糸いぼのそれぞれが個々の糸の分泌腺に

each spigot connects to its own individual

繋がっているとわかります

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

分泌腺は袋のような形状をしており

with a lot of silk proteins stuck inside.

中は糸タンパク質で満たされています

So if you ever have the opportunity to dissect

クモの巣を作るクモを

an orb-web-weaving spider,

解剖する機会がありましたら

and I hope you do,

いえ 是非解剖してみてください

what you would find is a bounty

半透明で美しい糸分泌腺が

of beautiful, translucent silk glands.

見れるでしょう

Inside each spider, there are hundreds

分泌腺の数は数百

of silk glands, sometimes thousands.

時には数千に及ぶこともあります

These can be grouped into seven categories.

分泌腺は ７種類に分類することができます

They differ by size, shape,

その大きさ 形 そして

and sometimes even color.

色までもが 異なります

In an orb-web-weaving spider,

クモの巣を作るクモには

you can find seven types of silk glands,

７種類の糸の分泌腺(絹糸腺)があり

and what I have depicted here in this picture,

画面に図解しました

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

右上1時の方向からお話しします

there's tubuliform silk glands, which are used

管状腺という絹糸腺があり

to make the outer silk of an egg sac.

卵を包む糸のふくろを作ります

There's the aggregate and flagelliform silk

次の集合腺と鞭状腺は

glands which combine to make the sticky

混ざり クモの巣のらせん部の

capture spiral of an orb web.

粘着する糸(横線)を作ります

Pyriform silk glands make the attachment

梨状腺は

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

基質に糸が着くようにする

silk lines to a substrate.

付着剤を作ります

There's also aciniform silk,

ブドウ状腺の糸は

which is used to wrap prey.

餌を絡めるのに使います

Minor ampullate silk is used in web construction.

小瓶状腺の糸は巣に使います

And the most studied silk line

そして 最も研究が集中しているのが

of them all: major ampullate silk.

大瓶状腺です

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

ここの糸は枠(枠糸)と放射状の(横糸)で

and radii of an orb web, and also

クモの巣を作り また ぶら下がる時に

the safety trailing dragline.

安全にぶら下がる牽引糸となります

But what, exactly, is spider silk?

では糸は一体なにでできているのでしょうか？

Spider silk is almost entirely protein.

クモの糸はタンパク質のかたまりです

Nearly all of these proteins can be explained

このタンパク質のほとんどは

by a single gene family,

単一の遺伝子族でできています

so this means that the diversity of silk types

これは現代の多様な遺伝子が

we see today is encoded by one gene family,

全て単一の遺伝子族の中に組み込まれていることを意味します

so presumably the original spider ancestor

おそらくは クモの原種は１種類の糸しか

made one kind of silk,

作っていなかったと考えられます

and over the last 380 million years,

３億８千年の進化の過程で

that one silk gene has duplicated

糸の遺伝子が複製され分岐し

and then diverged, specialized,

特性を持つ糸ができるプロセスが

over and over and over again, to get

何度も繰り返されて

the large variety of flavors of spider silks

現在存在する非常に多様な

that we have today.

種類が生成されるに至ったのです

There are several features that all these silks

全種の糸に共通する点が何個かあります

have in common. They all have a common

まずはデザインですが

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

タンパク質の長さは

they're sort of outlandishly long

一貫して

compared to other proteins.

驚く程長くなっています

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

グリシン・アラニンといったアミノ酸に富んだ

in the amino acids glycine and alanine.

とても反復的な配列を形成しています

To give you an idea of what

クモ糸のタンパク質がどんなものか

a spider silk protein looks like,

お見せしましょう

this is a dragline silk protein,

これは クロゴケグモの

it's just a portion of it,

牽引糸タンパク質の

from the black widow spider.

ごく一部です

This is the kind of sequence that I love

この配列を昼も夜も調べるのが

looking at day and night. (Laughter)

たまらないんです　(笑)

So what you're seeing here is the one letter

画面には 配列内のアミノ酸を

abbreviation for amino acids, and I've colored

頭文字で示し 色を着けました

in the glycines with green,

グリシンを緑色のG

and the alanines in red, and so

アラニンを赤色のAで示しました

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

ほとんどAとGが占めていることが窺えます

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

さらに 同じ短いモチーフが何度も何度も何度も

sequence motifs that repeat over and over

繰り返されているのが分かりますか

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

例えば ポリアラニンと呼ぶ

what we call polyalanines, or iterated A's,

Aが繰り返されている AAAAAという箇所や

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

GGQといったりGGYといった繰り返しがあります

You can think of these short motifs

この繰り返す同じモチーフは

that repeat over and over again as words,

文章の中で何度も出てくる

and these words occur in sentences.

単語であるかのようです

So for example this would be one sentence,

例えば これが１つの文とすると

and you would get this sort of green region

緑色が多い部分や

and the red polyalanine, that repeats

赤色のポリアラニンの繰り返しが

over and over and over again,

何度も何度も出てきます

and you can have that hundreds and

この部分が一つ一つの糸の分子に

hundreds and hundreds of times within

何百も何百も何百も

an individual silk molecule.

出てくるのです

Silks made by the same spider can have

同じクモが作る糸でも

dramatically different repeat sequences.

配列は驚くほどに異なります

At the top of the screen, you're seeing

画面の上部に出ているのは コガネグモが

the repeat unit from the dragline silk

出した牽引糸の配列反復単位です

of a garden argiope spider.

この糸の場合 １単位の長さは短くなっています

It's short. And on the bottom,

画面の下部に出ているのは

this is the repeat sequence for the

卵を包む糸(管状糸)の

egg case, or tubuliform silk protein,

タンパク質の反復配列です

for the exact same spider. And you can see

全く同じクモのものですが

how dramatically different

劇的に違うのがわかりますね

these silk proteins are -- so this is

ご覧の通り この遺伝子族の

sort of the beauty of the diversification

多様性こそが

of the spider silk gene family.

クモ糸の美点なのです

You can see that the repeat units differ

反復単位の長さだけでなく

in length. They also differ in sequence.

配列も違うことが見て取れます

So I've colored in the glycines again

配列を示すのにグリシンを緑色に

in green, alanine in red, and the serines,

アラニンを赤色にし セリンを紫色でSとしました

the letter S, in purple. And you can see

画面上部の反復単位は

that the top repeat unit can be explained

ほぼ全体が

almost entirely by green and red,

緑と赤で構成されています

and the bottom repeat unit has

下部は

a substantial amount of purple.

紫がほとんどを占めます

What silk biologists do is we try to relate

糸学者はこの反復内の配列または

these sequences, these amino acid

アミノ酸配列が糸繊維の

sequences, to the mechanical properties

力学的属性と関連が無いか

of the silk fibers.

調べるのです

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

クモが糸を使うのは完全に体外であることは

completely outside their body.

非常に都合のいいことです

This makes testing spider silk really, really

この特性のおかげで研究室での

easy to do in the laboratory, because

クモ糸の実験が簡単にできます

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

クモが糸のタンパク質を使う

that's exactly the environment that

環境と全く同じ空気中で

spiders are using their silk proteins.

実験ができるためです

So this makes quantifying silk properties by

繊維の片方を固定して引っ張る

methods such as tensile testing, which is

張力テストなどの測定方法で

basically, you know, tugging on one end

クモ糸の属性を測定するのに

of the fiber, very amenable.

環境を作りやすいのです

Here are stress-strain curves

この図はさきほどのクモを使って

generated by tensile testing

５種類の繊維で張力テストを実施し

five fibers made by the same spider.

応力歪み曲線を描いたものです

So what you can see here is that

５種類の繊維がそれぞれ異なる

the five fibers have different behaviors.

性質をもっているのが分かります

Specifically, if you look on the vertical axis,

特に 縦軸に応力を描きました

that's stress. If you look at the maximum

その軸にあるそれぞれの繊維の

stress value for each of these fibers,

最大応力を見てください

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

繊維間で大きな違いが見られます

and in fact dragline, or major ampullate silk,

牽引糸 あるいは 大瓶状腺からの糸が

is the strongest of these fibers.

最も高い強度を示しました

We think that's because the dragline silk,

牽引糸が最強なのは枠糸と放射線状の横糸で

which is used to make the frame and radii

クモの巣を作るには 糸が非常に強い必要があるからと

for a web, needs to be very strong.

学者は考えています

On the other hand, if you were to look at

もう１つの力 どこまで伸ばせるかという

strain -- this is how much a fiber can be

歪みを見ましょう

extended -- if you look at the maximum value

最大歪みを見ると

here, again, there's a lot of variation

またも 繊維間で大きな違いがあります

and the clear winner is flagelliform,

鞭毛 または 横糸が

or the capture spiral filament.

あきらかに勝ります

In fact, this flagelliform fiber can

鞭毛繊維は実に

actually stretch over twice its original length.

当初の２倍以上の長さまで伸ばせます

So silk fibers vary in their strength

このように 糸繊維は応力と歪みの点で

and also their extensibility.

大きく異なります

In the case of the capture spiral,

らせんの状横糸にいたっては

it needs to be so stretchy to absorb

飛来する餌の衝撃を吸収できるように

the impact of flying prey.

相当に柔軟でなければなりません

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

この柔軟性を欠いた場合には

basically when an insect hit the web,

巣に虫がかかったとしても

it would just trampoline right off of it.

撥ねてすぐに逃げられてしまいます

So if the web was made entirely out of

もし牽引糸のみで巣を作れば

dragline silk, an insect is very likely to just

虫は跳ね返されてしまうだけでしょう

bounce right off. But by having really, really

しかし 非常に柔軟に伸縮する

stretchy capture spiral silk, the web is actually

らせん状横糸があるから巣は

able to absorb the impact

餌がかかった衝撃を

of that intercepted prey.

吸収することができるのです

There's quite a bit of variation within

クモの生成する繊維の

the fibers that an individual spider can make.

種類は実に多種多様です

We call that the tool kit of a spider.

クモの道具箱と呼んでいます

That's what the spider has

環境に応じてクモは

to interact with their environment.

これらを使い分けるのです

But how about variation among spider

では クモの種同士では

species, so looking at one type of silk

どの程度差があるのでしょうか？

and looking at different species of spiders?

同じ種類の糸の特性はクモの種類によって違うのでしょうか？

This is an area that's largely unexplored

この研究領域はまだそれほど

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

進んでいませんが 少しだけお見せします

This is the comparison of the toughness

これは21種類のクモの

of the dragline spilk spun

牽引糸の靭性(切れにくさ)を

by 21 species of spiders.

比較した図です

Some of them are orb-weaving spiders and

巣を作る種と作らない種の

some of them are non-orb-weaving spiders.

両方を含んでいます

It's been hypothesized that

コガネグモのように巣を作るクモが

orb-weaving spiders, like this argiope here,

最も高い靱性の牽引糸を持っているという

should have the toughest dragline silks

仮説があります

because they must intercept flying prey.

飛来する餌を捉える必要があるからです

What you see here on this toughness graph

この表は糸の靱性を示した図です

is the higher the black dot is on the graph,

点が上に上がるほど

the higher the toughness.

糸が切れにくくなります

The 21 species are indicated here by this

ここに示した21種のクモは

phylogeny, this evolutionary tree, that shows

系統発生の進化木に従って遺伝子的に繋がっています

their genetic relationships, and I've colored

右側に描かれている

in yellow the orb-web-weaving spiders.

巣を作る種の背景は黄色にしました

If you look right here at the two red arrows,

２つの赤い矢印が指しているのは

they point to the toughness values

アメリカジョロウグモとニワオニグモの

for the draglines of nephila clavipes and

牽引糸の靱性(切れにくさ)を

araneus diadematus.

座標に示したものです

These are the two species of spiders

この２種のクモの作る

for which the vast majority of time and money

牽引糸のタンパク質構成を

on synthetic spider silk research has been

人工合成する研究に ほとんどの

to replicate their dragline silk proteins.

主要な資金と時間が集中しています

Yet, their draglines are not the toughest.

しかし この２種類のクモの牽引糸が最強なわけではなく

In fact, the toughest dragline in this survey

実際には この調査での最強の牽引糸は

is this one right here in this white region,

左上白背景の種で

a non orb-web-weaving spider.

巣を作らないクモでした

This is the dragline spun by scytodes,

これは毒吹グモのヤマシログモ科が

the spitting spider.

紡いだ牽引糸です

Scytodes doesn't use a web at all

ヤマシログモ類は餌を捕まえるのに

to catch prey. Instead, scytodes

網を使わず そのかわりに

sort of lurks around and waits for prey

網に忍んで獲物に近づき

to get close to it, and then immobilizes prey

糸状の毒を虫に吹きかけて

by spraying a silk-like venom onto that insect.

動けなくするのです

Think of hunting with silly string.

「クモ糸射出のおもちゃ」で狩りをする感じです

That's how scytodes forages.

これがこのクモの餌の集め方です

We don't really know why scytodes

学者はヤマシログモが

needs such a tough dragline,

なぜこんな強力な牽引糸を必要なのか分かっていません

but it's unexpected results like this that make

しかしこのような予期しない結果こそが

bio-prospecting so exciting and worthwhile.

生物調査を非常に興奮させ価値あるものにします

It frees us from the constraints

生物を調べることで人の想像力の

of our imagination.

限界を超えることができるのです

Now I'm going to mark on

次に 様々な繊維の持つ

the toughness values for nylon fiber,

靱性(切れにくさ)で図に線を引いてみました

bombyx -- or domesticated silkworm silk --

上から順に ナイロン カイコ(家蚕)

wool, Kevlar, and carbon fibers.

羊毛 ケブラー繊維 炭素繊維 の線です

And what you can see is that nearly

殆ど全てのクモ牽引糸が

all the spider draglines surpass them.

靱性で勝っていますね

It's the combination of strength, extensibility

応力と歪みと靱性の組み合わせこそが

and toughness that makes spider silk so

クモの糸を特別なものにし

special, and that has attracted the attention

生体模倣科学者の注目を浴び

of biomimeticists, so people that turn

多くの人が自然から新しい方法を

to nature to try to find new solutions.

探ろうとするのです

And the strength, extensibility and toughness

クモ糸が応力と歪みと靱性を

of spider silks combined with the fact that

持っていながらも同時に

silks do not elicit an immune response,

免疫反応の心配がないことから

have attracted a lot of interest in the use

生物医学への適応に

of spider silks in biomedical applications,

多くの注目が集まっています

for example, as a component of

例えば人工腱の一部として

artificial tendons, for serving as

神経を再建することに使い

guides to regrow nerves, and for

組織が作られる土台として

scaffolds for tissue growth.

使うような応用がありえます

Spider silks also have a lot of potential

クモの糸は防弾性材質としても

for their anti-ballistic capabilities.

多くの可能性を秘めています

Silks could be incorporated into body

糸繊維を防弾着や

and equipment armor that would be more

装甲具に組み込んで

lightweight and flexible

現存するどんな防具より

than any armor available today.

軽く柔軟なものが作れます

In addition to these biomimetic

このような 生体模倣的な活用に加えて

applications of spider silks,

個人的にはクモの糸の研究

personally, I find studying spider silks

そのものに魅力を感じ

just fascinating in and of itself.

クモの糸それ自体が魅力的なのです

I love when I'm in the laboratory,

私には 研究室で 見たことの無いクモ糸の

a new spider silk sequence comes in.

配列を発見する瞬間がたまりません

That's just the best. (Laughter)

最高なんです (笑)

It's like the spiders are sharing

その瞬間はまるでクモが古代の秘密を

an ancient secret with me, and that's why

教えてくれているようです

I'm going to spend the rest of my life

故に 私は生涯クモの糸の

studying spider silk.

研究をするつもりです

The next time you see a spider web,

今度クモの巣を見かけたら 立ち止まって

please, pause and look a little closer.

近づいて見てください

You'll be seeing one of the most

人類が知り得る最も強力な

high-performance materials known to man.

材質の一つを見ることになります

To borrow from the writings

『シャーロットのおくりもの』の

of a spider named Charlotte,

クモのシャーロットが紡いだように

silk is terrific.

クモの糸は「すばらしい」です

Thank you. (Applause)

ありがとうございます(拍手)

(Applause)

(拍手)