Cheryl Hayashi: The magnificence of spider silk

Översättare: Erik Niklasson Granskare: Johan Cegrell

I'm here to spread the word about the

Jag är här för att sprida budskapet

magnificence of spiders

om hur fantastiska spindlar är

and how much we can learn from them.

och hur mycket vi kan lära oss av dem.

Spiders are truly global citizens.

Spindlar är verkligen världsmedborgare.

You can find spiders in nearly

Man kan hitta spindlar i stort sett

every terrestrial habitat.

alla jordens olika habitat.

This red dot marks

Den röda pricken är

the Great Basin of North America,

Great Basin i nordamerika,

and I'm involved with an alpine biodiversity

och jag är med i ett projekt om alpinbiologisk mångfald

project there with some collaborators.

i detta område tillsammans med några medarbetare.

Here's one of our field sites,

Här är en av våra fältstationer,

and just to give you a sense of perspective,

och, för att ge er lite perspektiv,

this little blue smudge here,

den lilla blå fläcken där,

that's one of my collaborators.

det är en av mina medarbetare.

This is a rugged and barren landscape,

Detta är ett klippigt och kargt landskap

yet there are quite a few spiders here.

ändå finns här en hel del spindlar.

Turning rocks over revealed this crab spider

Vi vände på några stenar och så hittade vi den här krabbspindeln

grappling with a beetle.

kämpandes med en skalbagge.

Spiders are not just everywhere,

Spindlar finns inte bara överallt

but they're extremely diverse.

de är också otroligt varierande.

There are over 40,000 described species

Det finns över 40.000 kända arter

of spiders.

spindlar.

To put that number into perspective,

För att sätta den siffran i perspektiv,

here's a graph comparing the 40,000

här är ett diagramm som jämför de 40.000

species of spiders

arterna spindlar

to the 400 species of primates.

med de 400 arterna primater.

There are two orders of magnitude more

Det finns alltså 100 gånger fler

spiders than primates.

spindelarter än primater.

Spiders are also extremely old.

Spindlar är också extremt gamla.

On the bottom here,

Nedtill här,

this is the geologic timescale,

detta är en geologisk tidsskala

and the numbers on it indicate millions

och siffrorna anger antal miljoner år

of years from the present, so the zero here,

från nutid, så nollan här

that would be today.

är idag.

So what this figure shows is that spiders

Vad den här bilden visar är att spindlar

date back to almost 380 million years.

har funnits i nästan 380 miljoner år.

To put that into perspective, this red

För att sätta det i perspektiv, det röda

vertical bar here marks the divergence time

lodräta strecket här täcker tidperioden

of humans from chimpanzees,

för människans utveckling från chimpansen

a mere seven million years ago.

för blott sju miljoner år sedan.

All spiders make silk

Alla spindlar producerar silke

at some point in their life.

vid någon punkt i sina liv.

Most spiders use copious amounts of silk,

De flesta spindlar använder sig av stora mängder silke

and silk is essential to their survival

och silket spelar en ytterst viktig roll i deras överlevnad

and reproduction.

och förökning.

Even fossil spiders can make silk,

Till och med spindelfossiler kan producera silke

as we can see from this impression of

vilket vi kan se på det här avtrycket av

a spinneret on this fossil spider.

en spinnvårta på den här spindelfossilen.

So this means that both spiders

Detta betyder alltså att både spindlar

and spider silk have been around

och spindelsilke har funnits

for 380 million years.

i 380 miljoner år.

It doesn't take long from working with spiders

Man behöver inte jobba länge med spindlar

to start noticing how essential silk is

för att lägga märke till hur oumbärligt silket är

to just about every aspect of their life.

i så gott som varje aspekt av deras liv.

Spiders use silk for many purposes, including

Spindlar använder silke för många olika ändamål, till

the trailing safety dragline,

den efterhängande ankartråden

wrapping eggs for reproduction,

för att slå in ägg vid förökning,

protective retreats

att skydda sig

and catching prey.

och för att fånga byte.

There are many kinds of spider silk.

Det finns många typer av spindelsilke.

For example, this garden spider can make

Den här trädgårdsspindeln kan till exempel

seven different kinds of silks.

producera 7 olika sorters silke.

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

När ni tittar på den det här runda nätet

seeing many types of silk fibers.

ser ni i själva verket många sorters silkesfibrer.

The frame and radii of this web

Ramen och radierna i det här nätet

is made up of one type of silk,

utgörs av en sorts silke,

while the capture spiral is a composite

medan fångstspiralen utgörs av en komposit

of two different silks:

av två olika sorter silke:

the filament and the sticky droplet.

filamentet och den klibbiga lilla droppen.

How does an individual spider

Hur kan en enda spindel

make so many kinds of silk?

producera så många sorter silke?

To answer that, you have to look a lot closer

För att kunna svara på det måste man ta en närmare titt

at the spinneret region of a spider.

på spindelns spinnvårta.

So silk comes out of the spinnerets, and for

Silket kommer alltså ur spinnvårtorna, och för

those of us spider silk biologists, this is what

oss biologer som sysslar med spindelsilke, så är detta

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

det vi kallar spindelns "business"-sida. (Skratt)

We spend long days ...

Vi spenderar långa dagar...

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

Skratta inte. Detta är mitt liv.

(Laughter)

(Skratt)

We spend long days and nights

Vi spenderar långa dagar och nätter

staring at this part of the spider.

med att stirra på den här delen av spindeln.

And this is what we see.

Och detta är vad vi ser.

You can see multiple fibers

Man kan se flera fibrer

coming out of the spinnerets, because

komma ifrån vårtorna, eftersom

each spinneret has many spigots on it.

varje vårta har flera små tappar på sig.

Each of these silk fibers exits from the spigot,

Varje silkesfiber kommer ur en sådan tapp

and if you were to trace the fiber back

och om man skulle följa fibertråden

into the spider, what you would find is that

in i spindeln, så ser man att

each spigot connects to its own individual

varje tapp har sin egen individuella

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

silkeskörtel. En silkeskörtel ser ut lite som en säck

with a lot of silk proteins stuck inside.

med en massa silkesproteiner i.

So if you ever have the opportunity to dissect

Så om ni någon gång får möjlighet att dissekera

an orb-web-weaving spider,

en spindel som spinner runda nät,

and I hope you do,

och det hoppas jag att ni får,

what you would find is a bounty

så kommer ni hitta en massa

of beautiful, translucent silk glands.

vackra, halvgenomskinliga silkeskörtlar.

Inside each spider, there are hundreds

Inuti varje spindel finns hundratals

of silk glands, sometimes thousands.

silkeskörtlar, ibland tusentals.

These can be grouped into seven categories.

Dessa kan grupperas i sju kategorier.

They differ by size, shape,

De skiljer sig åt vad gäller storlek, form,

and sometimes even color.

och ibland även färg.

In an orb-web-weaving spider,

I en spindel som spinner runda nät

you can find seven types of silk glands,

hittar man sju olika typer av silkeskörtlar

and what I have depicted here in this picture,

och det som jag visar på den här bilden

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

om man börjar klockan 1,

there's tubuliform silk glands, which are used

är tubformade silkeskörtlar, vilka

to make the outer silk of an egg sac.

används för att det yttre silket på en äggsäck.

There's the aggregate and flagelliform silk

Här är silket för dropparna och de flagellumliknande

glands which combine to make the sticky

silkeskörtlarna som kombineras för att skapa den klibbiga

capture spiral of an orb web.

fångstspiralen i ett nät.

Pyriform silk glands make the attachment

De pyriforma silkeskörtlarna skapar

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

fästfundamentet – alltså silket som används för att fästa

silk lines to a substrate.

silkestrådar på fästytan.

There's also aciniform silk,

Det finns också aciniformt silke

which is used to wrap prey.

vilket används för att linda in byten.

Minor ampullate silk is used in web construction.

Litet ampullsilke används vid nätkonstruktion.

And the most studied silk line

Och det mest studerade silket

of them all: major ampullate silk.

av dem alla: det större ampullsilket.

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

Det är silket som används för att göra ramen

and radii of an orb web, and also

och radierna i nätet, men används också

the safety trailing dragline.

till ankartråden.

But what, exactly, is spider silk?

Men vad är spindelsilke mer exakt?

Spider silk is almost entirely protein.

Spindelsilke består nästan helt och hållet av proteiner.

Nearly all of these proteins can be explained

Nästan alla av dessa proteiner kan förklaras

by a single gene family,

av en enda genfamilj,

so this means that the diversity of silk types

så det betyder att alla de olika typer av silke

we see today is encoded by one gene family,

vi ser idag är kodade i en enda genfamilj,

so presumably the original spider ancestor

så förmodligen producerade spindelförfadern

made one kind of silk,

en sorts silke,

and over the last 380 million years,

och under de senaste 380 miljoner åren

that one silk gene has duplicated

har den silkesgenen fördubblats

and then diverged, specialized,

och sedan förgrenats, specialiserats

over and over and over again, to get

om och om igen för att få

the large variety of flavors of spider silks

den stora variation av olika sorters silke

that we have today.

vi ser idag.

There are several features that all these silks

Det finns flera egenskaper som alla de här silkestyperna

have in common. They all have a common

har gemensamt. De har alla en gemensam

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

design, som till exempel att de alla är väldigt långa –

they're sort of outlandishly long

de är faktiskt besynnerligt långa

compared to other proteins.

jämfört med andra proteiener.

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

De är väldigt repetitiva och mycket rika

in the amino acids glycine and alanine.

på aminosyrorna glycin och alanin.

To give you an idea of what

För att ge er en bild av hur

a spider silk protein looks like,

ett spindelsilkesprotein ser ut;

this is a dragline silk protein,

detta är ett ankartrådssprotein,

it's just a portion of it,

det är bara en bit av det,

from the black widow spider.

från "Svarta änkan".

This is the kind of sequence that I love

Detta är den sortens sekvens jag älskar

looking at day and night. (Laughter)

att titta på dag och natt. (Skratt)

So what you're seeing here is the one letter

Det ni ser här är enbokstavsförkortningarna

abbreviation for amino acids, and I've colored

för de olika aminosyrorna, och jag har färgat

in the glycines with green,

glycinet grönt

and the alanines in red, and so

och alaninet rött och som ni kan se

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

är det bara en massa G:n och A:n.

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

Ni kan också se att det är fullt med små korta

sequence motifs that repeat over and over

sekvensmotiv som återupprepas

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

om och om igen, till exempel finns det en massa

what we call polyalanines, or iterated A's,

av det vi kallar polyalaniner, eller upprepade A:n,

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

AAAA. Där är GGQ. Där är GGY.

You can think of these short motifs

Man kan se dessa små motiv,

that repeat over and over again as words,

som upprepas om och om igen, som ord

and these words occur in sentences.

och dessa ord ingår i meningar.

So for example this would be one sentence,

Detta, till exempel, skulle alltså vara en mening,

and you would get this sort of green region

och man skulle få den här typen av gröna områden

and the red polyalanine, that repeats

och det röda polyalaninet, som upprepas

over and over and over again,

om och om och om igen,

and you can have that hundreds and

och man kan ha detta hundratals

hundreds and hundreds of times within

och åter hundratals gånger i

an individual silk molecule.

en enda silkesmolekyl.

Silks made by the same spider can have

Olika silkessorter från en och samma spindel

dramatically different repeat sequences.

kan ha väldigt olika upprepningsmönster.

At the top of the screen, you're seeing

Längst upp på skärmen ser ni

the repeat unit from the dragline silk

en repetition från ankartrådsilket

of a garden argiope spider.

från en trädgårdsspindel av släktet Argiope.

It's short. And on the bottom,

Den är kort. Och nertill

this is the repeat sequence for the

är repetitionssekvensen för

egg case, or tubuliform silk protein,

äggsäcken, eller det tubformade silkesproteinet

for the exact same spider. And you can see

från exakt samma spindel. Och ni kan se

how dramatically different

hur otroligt olika

these silk proteins are -- so this is

dessa silkesprotein är – det är detta

sort of the beauty of the diversification

som är skönheten med

of the spider silk gene family.

silkesgenfamiljens diversifikation.

You can see that the repeat units differ

Man kan se hur repetitionerna skiljer sig

in length. They also differ in sequence.

i längd. De skiljer sig också i sekvens.

So I've colored in the glycines again

Även här har jag färgat glycinet

in green, alanine in red, and the serines,

grönt, alaninet rött och serinet,

the letter S, in purple. And you can see

bokstaven S, i lila. Och ni kan se

that the top repeat unit can be explained

att repetitionen ovantill kan beskrivas nästan

almost entirely by green and red,

helt och hållet med grönt och rött,

and the bottom repeat unit has

och att repetitionen nedtill

a substantial amount of purple.

har en betydande del lila.

What silk biologists do is we try to relate

Vad vi silkesbiologer försöker göra är att

these sequences, these amino acid

knyta dessa sekvenser, dessa sekvenser

sequences, to the mechanical properties

av aminosyror, till de mekaniska egenskaperna

of the silk fibers.

hos silkesfibrerna.

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

Det är synnerligen praktiskt att spindlar använder sitt silke

completely outside their body.

nästan uteslutande utanför sin kropp.

This makes testing spider silk really, really

Detta gör det mycket enkelt att testa spindelsilke

easy to do in the laboratory, because

i labbet, eftersom

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

vi då faktiskt testar det i luften,

that's exactly the environment that

alltså samma miljö

spiders are using their silk proteins.

som spindlarna själva använder sina silkesproteiner i.

So this makes quantifying silk properties by

Detta gör det enkelt att kvantifiera silkets egenskaper

methods such as tensile testing, which is

med metoder som testar draghållfastheten

basically, you know, tugging on one end

vilket ungefär går ut på att dra i ena änden

of the fiber, very amenable.

på fibern.

Here are stress-strain curves

Här är kurvorna som visar hållfastheten

generated by tensile testing

som vi fått fram genom att testa draghållfastheten

five fibers made by the same spider.

på fem olika fibrer från samma spindel.

So what you can see here is that

Det ni kan se här är att

the five fibers have different behaviors.

de fem fibrerna beter sig på olika sätt.

Specifically, if you look on the vertical axis,

Speciellt om ni tittar på den vertikala axeln,

that's stress. If you look at the maximum

den för spänning. Om ni tittar på det maximala

stress value for each of these fibers,

värdet för spänning för de olika fibrerna

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

så ser ni att det är stor variation,

and in fact dragline, or major ampullate silk,

och att ankartråden, eller storampull-silket

is the strongest of these fibers.

är den starkaste av dessa fibrer.

We think that's because the dragline silk,

Vi tror att detta beror på att ankartrådsilket,

which is used to make the frame and radii

vilket används för att göra ramen och radierna

for a web, needs to be very strong.

i nätet, behöver vara mycket starkt.

On the other hand, if you were to look at

Om man, å andra sidan, tittar på

strain -- this is how much a fiber can be

töjbarheten – detta är hur mycket en fiber

extended -- if you look at the maximum value

kan sträckas ut – om man tittar på det maximala värdet

here, again, there's a lot of variation

kan man även här se en stor variation

and the clear winner is flagelliform,

och den tydliga vinnaren är den flagellumformade fibern,

or the capture spiral filament.

eller fångstspiralens filament.

In fact, this flagelliform fiber can

Denna flagellumformade fiber kan i själva verket

actually stretch over twice its original length.

sträckas ut till två gånger sin utgångslängd.

So silk fibers vary in their strength

Silkesfibrer varierar alltså i styrka

and also their extensibility.

men också i töjbarhet.

In the case of the capture spiral,

Vad gäller fångstspiralen

it needs to be so stretchy to absorb

så måste den vara töjbar för att klara av

the impact of flying prey.

stöten av flygande byten.

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

Om det inte var så töjbart så skulle

basically when an insect hit the web,

insekter som träffade det bara studsa av igen som

it would just trampoline right off of it.

från en trampolin.

So if the web was made entirely out of

Så om nätet skulle vara gjort av

dragline silk, an insect is very likely to just

ankartrådsilke skulle insekter förmodligen

bounce right off. But by having really, really

bara studsa av igen. Men genom att ha riktigt riktigt

stretchy capture spiral silk, the web is actually

töjbart silke i fångstspiralen kan nätet

able to absorb the impact

absorbera stöten

of that intercepted prey.

från det fångade bytet.

There's quite a bit of variation within

Det finns stor variation mellan

the fibers that an individual spider can make.

de olika fibrer som en enskild spindel kan producera.

We call that the tool kit of a spider.

Vi kallar det spindelns verktygslåda.

That's what the spider has

Den är vad spindeln har

to interact with their environment.

för att kunna interagera med sin omgivning.

But how about variation among spider

Men hur är det med variationen mellan olika

species, so looking at one type of silk

spindelarter, om man alltså tittar på en sorts silke

and looking at different species of spiders?

hos olika spindelarter?

This is an area that's largely unexplored

Detta är ett till stor del outforskat område

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

men här är lite data som jag kan visa er.

This is the comparison of the toughness

Detta är en jämförelse av

of the dragline spilk spun

ankartrådsilkets seghet

by 21 species of spiders.

hos 21 olika spindelarter.

Some of them are orb-weaving spiders and

Vissa av dem är spindlar som spinner runda nät

some of them are non-orb-weaving spiders.

och vissa är spindlar som spinner andra typer av nät.

It's been hypothesized that

Hypoteser har lagts fram att

orb-weaving spiders, like this argiope here,

de spindlar som spinner runda nät, som denna Argiope-spindel,

should have the toughest dragline silks

borde ha det segaste ankartrådsilket,

because they must intercept flying prey.

eftersom de måste fånga flygande byten.

What you see here on this toughness graph

Det ni ser här på det seghetsdiagrammet

is the higher the black dot is on the graph,

är att ju högre den svarta punkten är i diagrammet

the higher the toughness.

desto segare är det.

The 21 species are indicated here by this

De 21 olika arterna har här delats in

phylogeny, this evolutionary tree, that shows

fylogenetiskt, i detta evolutionära träd, som visar

their genetic relationships, and I've colored

deras genetiska släktband och jag har

in yellow the orb-web-weaving spiders.

färgat de spindlar som spinner runda nät i gult.

If you look right here at the two red arrows,

Om ni tittar här till höger på de två röda pilarna,

they point to the toughness values

så pekar de ut seghetsvärdena

for the draglines of nephila clavipes and

för ankartrådarna hos Nephila Clavipes och

araneus diadematus.

Araneus Diadematus.

These are the two species of spiders

Dessa är de två spindelarter

for which the vast majority of time and money

på vilka majoriteten av tid och pengar

on synthetic spider silk research has been

lagts ner på forskning för att få fram syntetiskt spindelsilke

to replicate their dragline silk proteins.

genom att replikera proteinerna i deras draglinjesilke.

Yet, their draglines are not the toughest.

Deras ankartrådar är dock inte de segaste.

In fact, the toughest dragline in this survey

I själva verket var den segaste draglinan i den här undersökningen

is this one right here in this white region,

den här till höger i det här vita området,

a non orb-web-weaving spider.

en spindel som inte spinner runda när.

This is the dragline spun by scytodes,

Det här är ankartråden hos en spindel av släktet scytodes,

the spitting spider.

den spottande spindeln.

Scytodes doesn't use a web at all

Dessa spindlar använder inte nät över huvud taget

to catch prey. Instead, scytodes

för att fånga byte. Istället kryper de liksom omkring

sort of lurks around and waits for prey

och väntar på bytet

to get close to it, and then immobilizes prey

för att komma nära det och sen immobiliserar de bytet

by spraying a silk-like venom onto that insect.

genom att spruta ett silkesliknande gift på insekten.

Think of hunting with silly string.

Ungefär som att jaga med "silly string".

That's how scytodes forages.

Det är så spottspindeln jagar byte.

We don't really know why scytodes

Vi vet egentligen inte varför spottspindlarna

needs such a tough dragline,

behöver en så seg ankartråd

but it's unexpected results like this that make

men det är oväntade resultat som dessa som gör

bio-prospecting so exciting and worthwhile.

bioprospektering så spännande och meningsfullt.

It frees us from the constraints

Det befriar oss från vår fantasis

of our imagination.

begränsningar.

Now I'm going to mark on

Nu lägger jag på

the toughness values for nylon fiber,

seghetsvärdena för nylonfiber,

bombyx -- or domesticated silkworm silk --

bombyx – eller silke från odlade silkesmaskar –

wool, Kevlar, and carbon fibers.

ylle, Kevlar och kolfiber.

And what you can see is that nearly

Och det ni kan se är att nästan

all the spider draglines surpass them.

alla spindelankartrådar överträffar dem.

It's the combination of strength, extensibility

Det är kombinationen av styrka, töjbarhet

and toughness that makes spider silk so

och seghet som gör spindelsilke så

special, and that has attracted the attention

speciellt och det har lockat till sig

of biomimeticists, so people that turn

biomemetiker, alltså människor som

to nature to try to find new solutions.

vänder sig till naturen för att hitta nya lösningar.

And the strength, extensibility and toughness

Och styrkan, töjbarheten och segheten

of spider silks combined with the fact that

hos spindelsilke tillsammans med faktumet

silks do not elicit an immune response,

att silke inte ger immunologiskt utslag

have attracted a lot of interest in the use

har lett till ett intresse för att använda

of spider silks in biomedical applications,

spindelsilke i biomedicinska tillämpningar,

for example, as a component of

till exempel som en komponent

artificial tendons, for serving as

i artificiella senor, för att fungera som

guides to regrow nerves, and for

guider vid nervåterväxt och som

scaffolds for tissue growth.

byggnadsställningar vid vävnadsväxt.

Spider silks also have a lot of potential

Spindelsilke har också stor potential

for their anti-ballistic capabilities.

på grund av dess antiballistiska egenskaper.

Silks could be incorporated into body

Olika silkestyper skulle kunna integreras

and equipment armor that would be more

i kropps- och utrustningsskydd som skulle vara

lightweight and flexible

lättare och mer flexibla

than any armor available today.

än någon skyddsutrustning idag.

In addition to these biomimetic

Utöver dessa biomemetiska

applications of spider silks,

tillämpningar av spindelsilke,

personally, I find studying spider silks

tycker jag personligen att spindelsilke

just fascinating in and of itself.

är fascinerade att studera i sig själv.

I love when I'm in the laboratory,

Jag älskar när jag är i labbet

a new spider silk sequence comes in.

och en ny spindelsilkessekvens kommer in.

That's just the best. (Laughter)

Det är det bästa. (Skratt)

It's like the spiders are sharing

Det är som om att spindlarna delar med sig av

an ancient secret with me, and that's why

en gammal hemlighet med mig och det är därför

I'm going to spend the rest of my life

jag kommer spendera resten av mitt liv

studying spider silk.

med att studera spindelsilke.

The next time you see a spider web,

Nästa gång ni ser ett spindelnät

please, pause and look a little closer.

snälla stanna upp och titta lite närmare.

You'll be seeing one of the most

Ni kommer se ett av de mest

high-performance materials known to man.

högpresterande material vi känner till.

To borrow from the writings

För att låna från böckerna

of a spider named Charlotte,

om en spindel vid namn Charlotte:

silk is terrific.

"Silke är fantastiskt."

Thank you. (Applause)

Tack! (Applåder)

(Applause)

(Applåder)