Cheryl Hayashi: The magnificence of spider silk

Шерил Хайаши: Великолепие паучьего шелка

Переводчик: Arina Pykhalova Редактор: Lidia Karavaeva

I'm here to spread the word about the

Я здесь для того, чтобы рассказать,

magnificence of spiders

в чем состоит великолепие пауков,

and how much we can learn from them.

и сколькому мы можем научиться у них.

Spiders are truly global citizens.

Паук - поистине гражданин мира.

You can find spiders in nearly

Пауков можно встретить практически в каждой

every terrestrial habitat.

наземной среде обитания.

This red dot marks

Красной точкой обозначен

the Great Basin of North America,

Большой Бассейн Северной Америки,

and I'm involved with an alpine biodiversity

там я участвую в проекте, посвященном высокогорному биоразнообразию

project there with some collaborators.

вместе с несколькими коллегами.

Here's one of our field sites,

Вот один из снимков местности,

and just to give you a sense of perspective,

и просто чтобы вы могли ориентироваться,

this little blue smudge here,

маленькая голубая точка здесь -

that's one of my collaborators.

это мой коллега.

This is a rugged and barren landscape,

Местность весьма труднопроходимая и пустынная,

yet there are quite a few spiders here.

но пауки здесь все же есть.

Turning rocks over revealed this crab spider

Перевернув камень, мы видим паука-краба,

grappling with a beetle.

борющегося с жуком.

Spiders are not just everywhere,

Пауки не просто везде,

but they're extremely diverse.

они еще необычайно разнообразны.

There are over 40,000 described species

Существуют описания более

of spiders.

40 тысяч видов пауков.

To put that number into perspective,

Чтобы взглянуть на это число с другой точки зрения,

here's a graph comparing the 40,000

здесь приведена диаграмма, в которой

species of spiders

40 тысяч видов пауков противопоставлены

to the 400 species of primates.

400 видам приматов.

There are two orders of magnitude more

Количество пауков значительно превышает

spiders than primates.

количество приматов.

Spiders are also extremely old.

Кроме того, пауки очень древние существа.

On the bottom here,

Здесь внизу

this is the geologic timescale,

геологическая шкала времени,

and the numbers on it indicate millions

эти цифры обозначают количество миллионов лет

of years from the present, so the zero here,

от настоящего, то есть ноль здесь

that would be today.

обозначает сегодня.

So what this figure shows is that spiders

Эти цифры свидетельствуют о том,

date back to almost 380 million years.

что пауки появились почти 380 миллионов лет назад.

To put that into perspective, this red

Для большей наглядности,

vertical bar here marks the divergence time

эта красная вертикальная линия обозначает развитие

of humans from chimpanzees,

человека от шимпанзе

a mere seven million years ago.

около семи миллионов лет назад.

All spiders make silk

Все пауки в определенный период своего существования

at some point in their life.

прядут шелк.

Most spiders use copious amounts of silk,

Большинство пауков используют очень много шелка,

and silk is essential to their survival

который жизненно необходим для их выживания

and reproduction.

и размножения.

Even fossil spiders can make silk,

Даже ископаемые пауки могли делать шелк,

as we can see from this impression of

насколько мы можем судить по отпечатку

a spinneret on this fossil spider.

прядильного органа этого ископаемого паука.

So this means that both spiders

Это означает, что пауки, равно как и

and spider silk have been around

паучий шелк существуют уже

for 380 million years.

примерно 380 миллионов лет.

It doesn't take long from working with spiders

Изучая пауков, очень быстро

to start noticing how essential silk is

начинаешь замечать, какое значение имеет шелк

to just about every aspect of their life.

практически в каждом аспекте их жизни.

Spiders use silk for many purposes, including

Пауки используют шелк для различных целей,

the trailing safety dragline,

будь то бегство в случае опасности,

wrapping eggs for reproduction,

построение коконов для яиц,

protective retreats

защита

and catching prey.

и ловля добычи.

There are many kinds of spider silk.

Существует много видов паучьего шелка.

For example, this garden spider can make

Например, садовый паук прядет

seven different kinds of silks.

семь различных видов шелка.

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

Если посмотреть на эту округлую паутину,

seeing many types of silk fibers.

то можно увидеть различные типы волокон шелка.

The frame and radii of this web

Обрамление и радиус этой паутины

is made up of one type of silk,

сделаны из одного вида шелка,

while the capture spiral is a composite

в то время как спираль объединяет в себе

of two different silks:

два различных типа шелка:

the filament and the sticky droplet.

волокно и липкие капли.

How does an individual spider

Как одному пауку удается

make so many kinds of silk?

прясть так много видов шелка?

To answer that, you have to look a lot closer

Чтобы получить ответ, придется подробнее взглянуть

at the spinneret region of a spider.

на прядильный орган паука.

So silk comes out of the spinnerets, and for

Шелк получается из прядильного аппарата, и мы,

those of us spider silk biologists, this is what

биологи, изучающие паучий шелк,

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

называем это "бизнес продукт" паука. (Смех)

We spend long days ...

Много дней...

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

Эй! Не смейтесь! Это моя жизнь.

(Laughter)

(Смех)

We spend long days and nights

Много дней и ночей

staring at this part of the spider.

мы рассматривали эту часть паука.

And this is what we see.

И вот что мы увидели.

You can see multiple fibers

Мы видим множество волокон,

coming out of the spinnerets, because

выходящих из прядильного органа,

each spinneret has many spigots on it.

так как в каждой есть множество желез.

Each of these silk fibers exits from the spigot,

Каждое волокно шелка выходит из паутинной трубочки,

and if you were to trace the fiber back

и если проследить, что происходит внутри,

into the spider, what you would find is that

то можно обнаружить, что

each spigot connects to its own individual

каждая паутинная трубочка связана с отдельной железой.

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

Железа имеет сходство с сумкой,

with a lot of silk proteins stuck inside.

наполненной множеством протеинов шелка.

So if you ever have the opportunity to dissect

Если у вас когда-либо будет возможность вскрыть

an orb-web-weaving spider,

паука, прядущего паутину,

and I hope you do,

я надеюсь, что будет,

what you would find is a bounty

вы обнаружите множество

of beautiful, translucent silk glands.

красивых, полупрозрачных желез шелка.

Inside each spider, there are hundreds

Внутри каждого паука содержится сотня

of silk glands, sometimes thousands.

желез шелка, а иногда и тысяча.

These can be grouped into seven categories.

Их можно разделить на семь категорий.

They differ by size, shape,

Они различаются по размеру, форме

and sometimes even color.

и иногда по даже по цвету.

In an orb-web-weaving spider,

У паука, прядущего паутину,

you can find seven types of silk glands,

можно обнаружить семь типов желез шелка,

and what I have depicted here in this picture,

и то, что я изобразила на этом рисунке,

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

давайте начнем отсюда,

there's tubuliform silk glands, which are used

это железы glandula tubiliformes,

to make the outer silk of an egg sac.

которые производят шелк для мешка с яйцами.

There's the aggregate and flagelliform silk

Это железы glandula aggregata и flagelliform

glands which combine to make the sticky

которые производят липкий шелк для

capture spiral of an orb web.

ловчей спирали паутины.

Pyriform silk glands make the attachment

Железы glandula pyriformes производят

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

шелк для крепежных нитей,

silk lines to a substrate.

которые прочно соединяют волокна шелка с основанием.

There's also aciniform silk,

Есть также железы glandula aciniformes,

which is used to wrap prey.

которые производят шелк для заплетания добычи.

Minor ampullate silk is used in web construction.

Младшая железа ampullate используется для создания паутины.

And the most studied silk line

А больше всего изучают

of them all: major ampullate silk.

главную железу ampullate.

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

Этот шелк применяется в создании обрамления

and radii of an orb web, and also

и радиуса паутины, а также

the safety trailing dragline.

нитей для перемещения в случае опасности.

But what, exactly, is spider silk?

Так что же представляет собой паучий шелк?

Spider silk is almost entirely protein.

Паучий шелк почти полностью состоит из белка.

Nearly all of these proteins can be explained

Практически все белки относятся

by a single gene family,

одной генетической группе,

so this means that the diversity of silk types

что свидетельствует от том, что то разнообразие типов шелка,

we see today is encoded by one gene family,

которое мы видим сегодня, появилось из одной генетической группы,

so presumably the original spider ancestor

так что вероятно, что предок паука

made one kind of silk,

производил один тип шелка,

and over the last 380 million years,

и в течение 380 миллионов лет

that one silk gene has duplicated

этот ген шелка копировался,

and then diverged, specialized,

потом изменялся, приспосабливался

over and over and over again, to get

снова и снова, чтобы в итоге

the large variety of flavors of spider silks

превратиться в разнообразие видов паучего шелка,

that we have today.

которое существует сейчас.

There are several features that all these silks

Вот несколько признаков, которые являются общими

have in common. They all have a common

для всех типов шелка. У всех схожий

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

рисунок, то есть все они очень длинные -

they're sort of outlandishly long

даже нелепо длинные,

compared to other proteins.

по сравнению с другими белками.

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

Они повторяющиеся, а также содержат большое количество

in the amino acids glycine and alanine.

аминокислот: глицина и аланина.

To give you an idea of what

Чтобы вы знали,

a spider silk protein looks like,

как выглядит белок паучего шелка,

this is a dragline silk protein,

вот белок шелка для перемещений,

it's just a portion of it,

точнее всего лишь его часть,

from the black widow spider.

от черной вдовы.

This is the kind of sequence that I love

Именно та последовательность, за которой мне нравится

looking at day and night. (Laughter)

наблюдать днем и ночью. (Смех)

So what you're seeing here is the one letter

Здесь вы можете увидеть то, что я обозначила

abbreviation for amino acids, and I've colored

одной буквой аминокислоты,

in the glycines with green,

глицин я выделила зеленым цветом,

and the alanines in red, and so

аланин красным,

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

и все, что вы видите, это много букв G и А.

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

Еще вы можете увидеть много коротких

sequence motifs that repeat over and over

последовательностей, которые повторяются

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

снова и снова, и, например здесь,

what we call polyalanines, or iterated A's,

много полиаланина, или повторяющихся А,

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

ААААА. Или GGQ. Или GGY.

You can think of these short motifs

Можно рассматривать эти последовательности,

that repeat over and over again as words,

которые повторяются снова и снова, в качестве слов,

and these words occur in sentences.

которые образуют предложения.

So for example this would be one sentence,

Так, например, это будет одним предложением,

and you would get this sort of green region

и можно выделить что-то вроде зеленой области

and the red polyalanine, that repeats

и красной - полиаланин, которая повторяется

over and over and over again,

снова и снова,

and you can have that hundreds and

и ее можно встретить сотни

hundreds and hundreds of times within

и сотни раз внутри

an individual silk molecule.

отдельной молекулы шелка.

Silks made by the same spider can have

В шелке, производимом одним пауком,

dramatically different repeat sequences.

могут быть совершенно разные повторяющиеся последовательности.

At the top of the screen, you're seeing

В верхней части экрана вы видите

the repeat unit from the dragline silk

повторяющуюся единицу шелка

of a garden argiope spider.

садового паука рода Агриопа.

It's short. And on the bottom,

Она короткая. А внизу

this is the repeat sequence for the

повторяющаяся последовательность

egg case, or tubuliform silk protein,

белка шелка для мешка с яйцами,

for the exact same spider. And you can see

того же самого паука. Вы видите,

how dramatically different

насколько сильно различаются

these silk proteins are -- so this is

эти белки шелка - в какой-то степени

sort of the beauty of the diversification

это красота многообразия

of the spider silk gene family.

генетической семьи паучего шелка.

You can see that the repeat units differ

Видно, что повторяющиеся единицы

in length. They also differ in sequence.

различны по длине. Они также отличаются в последовательности.

So I've colored in the glycines again

Я снова выделила глицин зеленым,

in green, alanine in red, and the serines,

аланин красным, а серин, буквой S,

the letter S, in purple. And you can see

розовым. Видно, что

that the top repeat unit can be explained

верхняя повторяющаяся единица почти полностью

almost entirely by green and red,

состоит из зеленого и красного,

and the bottom repeat unit has

а нижняя единица в основном

a substantial amount of purple.

содержит розовый.

What silk biologists do is we try to relate

Что делаем мы, биологи - мы пытаемся соотнести

these sequences, these amino acid

эти последовательности аминокислот

sequences, to the mechanical properties

с механическими свойствами

of the silk fibers.

волокон шелка.

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

Очень удобно, что пауки используют шелк

completely outside their body.

только вне своего тела.

This makes testing spider silk really, really

Так, исследовать паучий шелк в лаборатории

easy to do in the laboratory, because

очень и очень просто, так как

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

мы практически, понимаете, исследуем его

that's exactly the environment that

в воздухе, то есть той самой среде, в которой

spiders are using their silk proteins.

пауки используют белки шелка.

So this makes quantifying silk properties by

Это облегчает задачу исследовать

methods such as tensile testing, which is

особенности шелка, применяя метод

basically, you know, tugging on one end

испытания на растяжение, т.е. растягивая

of the fiber, very amenable.

волокна с одной стороны.

Here are stress-strain curves

Здесь график давления и напряжения -

generated by tensile testing

результат испытания на растяжение

five fibers made by the same spider.

пяти волокон, произведенных одним пауком.

So what you can see here is that

Становится понятным, что

the five fibers have different behaviors.

пять волокон по-разному ведут себя.

Specifically, if you look on the vertical axis,

А именно, если посмотреть на вертикальную ось,

that's stress. If you look at the maximum

это давление. Если посмотреть на максимальное

stress value for each of these fibers,

значение каждого волокна,

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

можно увидеть существенные различия,

and in fact dragline, or major ampullate silk,

и, фактически, самые сильные волокна

is the strongest of these fibers.

это главные волокна желез ampullate.

We think that's because the dragline silk,

Мы считаем, что причина в том, что вид шелка,

which is used to make the frame and radii

который используется при создании обрамления и радиуса

for a web, needs to be very strong.

паутины, должен быть очень сильным.

On the other hand, if you were to look at

С другой стороны, если взглянуть на

strain -- this is how much a fiber can be

ось напряжения - то, насколько волокно может

extended -- if you look at the maximum value

растянуться - если посмотреть на максимальное значение,

here, again, there's a lot of variation

снова увидим много различий,

and the clear winner is flagelliform,

и абсолютный победитель здесь

or the capture spiral filament.

волокно железы flagelliform.

In fact, this flagelliform fiber can

На самом деле, это волокно может

actually stretch over twice its original length.

растянуться более чем в два раза.

So silk fibers vary in their strength

Итак, волокна шелка различаются упругостью

and also their extensibility.

и растяжимостью

In the case of the capture spiral,

В случае спирали для захвата жертвы

it needs to be so stretchy to absorb

волокно должно быть растяжимым, чтобы

the impact of flying prey.

вместить в себя летящую добычу.

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

Если бы оно не было способно растянуться, то

basically when an insect hit the web,

когда насекомое попадало бы в паутину,

it would just trampoline right off of it.

оно просто бы перепрыгивало через нее.

So if the web was made entirely out of

Если бы паутина состояла только из

dragline silk, an insect is very likely to just

шелка для перемещений, насекомое бы

bounce right off. But by having really, really

отпрыгивало от нее. Но благодаря наличию

stretchy capture spiral silk, the web is actually

хорошо растяжимого шелка, паутина

able to absorb the impact

способна выдержать непредвиденное

of that intercepted prey.

вторжение добычи.

There's quite a bit of variation within

Существует некоторое различие между

the fibers that an individual spider can make.

волокнами, которые может произвести отдельный паук.

We call that the tool kit of a spider.

Мы называем это набор инструментов паука.

That's what the spider has

Это то, что есть у паука

to interact with their environment.

для взаимодействия с окружающей средой.

But how about variation among spider

Но как насчет различий среди видов пауков,

species, so looking at one type of silk

относительно одного типа шелка

and looking at different species of spiders?

и относительно различных видов пауков?

This is an area that's largely unexplored

Эта область мало изучена,

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

но я могу поделиться с вами небольшим количеством информации.

This is the comparison of the toughness

Это сравнение прочности

of the dragline spilk spun

шелка для перемещений

by 21 species of spiders.

у 21 вида пауков.

Some of them are orb-weaving spiders and

Некоторые из них прядут паутину

some of them are non-orb-weaving spiders.

округлой формы, некоторые нет.

It's been hypothesized that

Существовала гипотеза, что

orb-weaving spiders, like this argiope here,

пауки, прядущие круглую паутину, например Агриопа,

should have the toughest dragline silks

должны иметь самый прочный шелк,

because they must intercept flying prey.

так как им нужно поймать летящую добычу.

What you see here on this toughness graph

На этом графике прочности видно, что

is the higher the black dot is on the graph,

чем выше черная точка,

the higher the toughness.

тем выше прочность.

The 21 species are indicated here by this

21 вид различается на основе

phylogeny, this evolutionary tree, that shows

филогенеза, древа эволюции, что показывает

their genetic relationships, and I've colored

их генетические взаимоотношения,

in yellow the orb-web-weaving spiders.

желтым я выделила пауков, прядущих круглую паутину.

If you look right here at the two red arrows,

Взгляните на две красные стрелочки,

they point to the toughness values

она указывают на уровни прочности

for the draglines of nephila clavipes and

для nephila clavipes и

araneus diadematus.

araneus diadematus (крестовики).

These are the two species of spiders

Это два вида пауков,

for which the vast majority of time and money

на изучение синтетического шелка которых

on synthetic spider silk research has been

ушла большая часть времени и средств,

to replicate their dragline silk proteins.

а целью было скопировать белки шелка.

Yet, their draglines are not the toughest.

И все же, их волокна не самые прочные.

In fact, the toughest dragline in this survey

Как показало исследование, самые прочные нити

is this one right here in this white region,

в белой области,

a non orb-web-weaving spider.

у паука, не прядущего круглую паутину.

This is the dragline spun by scytodes,

Вот нить, которую выплевывает паук вида Scytodes,

the spitting spider.

плюющий паук.

Scytodes doesn't use a web at all

Они совсем не используют паутину,

to catch prey. Instead, scytodes

чтобы поймать добычу. Наоборот, они

sort of lurks around and waits for prey

прячутся и ожидают добычу,

to get close to it, and then immobilizes prey

чтобы подобраться поближе, и потом обездвижить жертву,

by spraying a silk-like venom onto that insect.

распылив шелковидный яд на насекомое.

Think of hunting with silly string.

Подумайте об охоте со слабой нитью.

That's how scytodes forages.

Так они обеспечивают себе питание.

We don't really know why scytodes

Мы не знаем наверняка, зачем scytodes

needs such a tough dragline,

нужны такие прочные нити,

but it's unexpected results like this that make

но как раз такие неожиданные результаты

bio-prospecting so exciting and worthwhile.

делают био-поиск таким захватывающим и стоящим.

It frees us from the constraints

Это освобождает нас от рамок

of our imagination.

нашего воображения.

Now I'm going to mark on

Теперь я хотела бы поговорить о

the toughness values for nylon fiber,

прочности волокон нейлона,

bombyx -- or domesticated silkworm silk --

шелкопряда - или шелка домашнего шелкопряда -

wool, Kevlar, and carbon fibers.

шерсти, кевларе и углеродных волокнах.

And what you can see is that nearly

И что мы видим - почти все волокна

all the spider draglines surpass them.

паучего шелка превосходят их.

It's the combination of strength, extensibility

Именно сочетание упругости, растяжимости

and toughness that makes spider silk so

и прочности делает паучий шелк таким

special, and that has attracted the attention

особенным, что привлекло внимание

of biomimeticists, so people that turn

биомиметистов, так что люди вновь могут обратиться

to nature to try to find new solutions.

к природе, чтобы найти новые решения.

And the strength, extensibility and toughness

Упругость, растяжимость и прочность

of spider silks combined with the fact that

паучего шелка в сочетании с тем, что

silks do not elicit an immune response,

шелк не вызывает иммунную реакцию,

have attracted a lot of interest in the use

пробудило большой интерес к использованию

of spider silks in biomedical applications,

паучего шелка в сфере биомедицины,

for example, as a component of

например, в качестве компонента

artificial tendons, for serving as

искусственных сухожилий,

guides to regrow nerves, and for

помощи при восстановлении нервов,

scaffolds for tissue growth.

и поддержки при воссоздании тканей.

Spider silks also have a lot of potential

В паучем шелке также скрыт большой потенциал

for their anti-ballistic capabilities.

для противоракетных резервов.

Silks could be incorporated into body

Шелк можно ввести в тело

and equipment armor that would be more

и в военное снаряжение,

lightweight and flexible

которое будет более легким и гибким,

than any armor available today.

чем любое доступное сейчас оружие.

In addition to these biomimetic

В дополнение к этому биомиметическому

applications of spider silks,

использованию паучего шелка,

personally, I find studying spider silks

лично я считаю, что его изучение

just fascinating in and of itself.

само по себе захватывающее.

I love when I'm in the laboratory,

Я люблю находиться в лаборатории

a new spider silk sequence comes in.

и выводить новые последовательности шелка.

That's just the best. (Laughter)

Это самое любимое. (Смех)

It's like the spiders are sharing

Такое чувство, что пауки делятся со мной

an ancient secret with me, and that's why

древнейшим секретом, и поэтому

I'm going to spend the rest of my life

я всю свою жизнь хочу посвятить

studying spider silk.

изучению паучего шелка.

The next time you see a spider web,

В следующий раз, когда вы увидите паутину,

please, pause and look a little closer.

пожалуйста, остановитесь и присмотритесь повнимательней.

You'll be seeing one of the most

Вы увидите один из самых

high-performance materials known to man.

высокоэффективных материалов, известных человеку.

To borrow from the writings

Позаимствую выражение

of a spider named Charlotte,

паука по имени Шарлотта,

silk is terrific.

"Шелк - это прекрасно".

Thank you. (Applause)

Спасибо. (Аплодисменты)

(Applause)

(Аплодисменты)