Cheryl Hayashi 談蜘蛛絲的壯麗

Cheryl Hayashi: The magnificence of spider silk

Cheryl 林研究蜘蛛絲,它是大自然中一種最佳的高性能材料。每一個品種的蜘蛛能造出七種不同的絲。蜘蛛怎麼做到的?林女士以基因層面為我們解說-並講述從這種超強韌、超靈活的天然材料中所得到的啟發。

講者介紹

Cheryl 林

Cheryl 林研究蜘蛛網中纖細卻強韌的蜘蛛絲,發現蜘蛛絲具有可供人類使用的驚人潛力。

生物學家Cheryl林有充分理由為蜘蛛和蜘蛛絲著迷。蜘蛛絲含有幾種千變萬化的絲蛋白;蜘蛛共有40,000多個品種,許多種蜘蛛能製造半打以上不同類別的絲蛋白。某些蜘蛛絲有像鋼鐵一樣強的韌性—通常比鋼鐵更有韌性—同時具有像空氣一般輕柔的特性。蜘蛛能用蜘蛛絲做很多事:築窩織網、獵食、遷移、求偶和保護蜘蛛蛋。

譯者介紹

翻譯人員洪曉慧

繁體編輯朱學恒、洪曉慧

簡體編輯朱學恒、洪曉慧

檔案後製處理洪曉慧、謝旻均


Cheryl Hayashi 談蜘蛛絲的壯麗

  • 在此,我想談談蜘蛛的壯麗,以及我們能從牠們身上學到什麼。蜘蛛是真正的世界公民,蜘蛛可以棲息在陸地上每一個角落。這個紅點標明的是北美洲的大盆地。在那兒,我和幾位伙伴合作高山物種多樣性的研究計劃,這裡是我們做野外研究的地方,為了讓你瞭解一下情況,相片中這個糢糊的小藍點是我一個伙伴。這裡的地貌既崢嶸又貧瘠,但這裡有很多蜘蛛。翻開石頭,可以看到這隻蟹形蜘蛛正在和一隻甲蟲格鬥。

    蜘蛛們不但無所不在,而且種類繁多。已知的蜘蛛有四萬多種。這個圖形代表四萬種蜘蛛相較於四百種靈長類動物的比例。蜘蛛比靈長類足足多了一百倍。蜘蛛也是一個歷史悠久的物種。圖表下方是地質年代表,這些數字是以百萬為單位的距今年數,零點代表的是現在。所以圖表告訴我們,蜘蛛大約在距今三億八千萬年已經存在了。以圖表來看,紅色直線標明的是七百萬年前人和黑猩猩才在演化過程中分道揚鏢。

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  • 所有蜘蛛在生命中某個階段都會吐絲,多數蜘蛛利用大量的絲求生保命和繁衍子孫,甚至連這化石中的蜘蛛都能造絲。從這張圖我們可以看見化石中蜘蛛的噴絲器,所以這說明了蜘蛛和蜘蛛絲兩者都已存在了三億八千萬年。研究蜘蛛後不須太久,就會發現蜘蛛絲是蜘蛛生活中的必須配備。蜘蛛絲有許多用途,包括為了安全用絲做攀繩、為了繁殖用絲包住卵,或利用絲來作防護性的撤退及捕捉獵物等等。

    蜘蛛絲有許多種。譬如園蛛能造出七種不同的絲,當你看這張蜘蛛網時,事實上你觀察的是多種不同的絲纖維網。骨架和半徑線是用一種絲織成的,而捕獵螺旋線是由兩種絲組合而成:一種絲纖維加上另一種有黏性的珠液絲。一隻蜘蛛怎麼可能造出這麼多種不同的絲呢?為了回答這個問題,我們仔細研究了蜘蛛的噴絲器。絲由噴絲器中排出體外,對我們研究蜘蛛絲的生物學家來說,我們稱噴絲器為蜘蛛的業務部。(笑聲)。我們日以繼夜地…嘿!別笑!這是我的生活。(笑聲)。我們日以繼夜地觀察蜘蛛的這個部位,這就是我們看見的。你可以看見好幾縷絲從噴絲器中伸出,因為每個噴絲器上有多個閥門,每一縷絲都由閥門中吐出。如果你沿著蜘蛛絲追溯到蜘蛛體內,你將發現每一個噴絲閥門都通往它自己專用的絲腺。絲腺就像個囊袋,裡面塞滿了絲蛋白。如果你有機會解剖一隻圓蛛,我希望你有這種機會,你會看見許多美麗的半透明絲腺。

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  • 每隻蜘蛛體內都有幾百個絲腺,有時甚至有幾千個。這些腺體可分成七類,它們的形狀大小不同,有時甚至連顏色都不同。在一隻圓蛛體內你會發現七種絲腺,圖中畫的是-讓我從一點鐘位置說起:這是管狀絲腺,它製造卵囊外面那層絲;這是聚狀和鞭狀絲腺,共同製造蜘蛛網上的黏性捕獵螺旋線;梨狀絲腺可製造黏著劑,也就是將東西黏住的那種絲;還有葡萄狀腺絲,可用來包裹獵物;小壺狀腺絲可用來織網。其中研究最透徹的絲線是大壺狀腺絲,它可用來織網的骨架和半徑線及安全攀繩。

    但蜘蛛絲究竟是什麼呢?蜘蛛絲幾乎全由蛋白質組成,幾乎所有絲蛋白都可用一個基因家族來解釋,也就是說,今天我們所見的各式各樣的蜘蛛絲都是由同一個基因家族編碼決定。所以假設蜘蛛的始祖只造一種絲,經過三億八千萬年後,那個造絲基因不停地複製,不停地變異並特異化,形成今天種類繁多的蜘蛛絲。所有蜘蛛絲都有幾個共同特質-它們都有相同的生物設計;譬如它們都很長,和其它蛋白質比起來,蜘蛛絲蛋白長的離譜;絲蛋白序列的重複性很高,並含有大量的甘氨酸和丙氨酸。為了讓你們進一步認識蜘蛛絲蛋白,這是從黑寡婦蜘蛛取得的一小段攀繩絲蛋白序列,這是一種我最愛日夜觀看的蛋白質序列。(笑聲)。

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  • 你看見的字母是氨基酸的簡寫,我用綠色標出了甘氨酸(glycine),紅色標出丙氨酸(alanine),所以你可以看到其中有許多G(甘氨酸)和A(丙氨酸),你也可以看出其中有很多簡短、一再出現的小段序列模式,例如它有很多所謂的聚丙氨酸(polyalanines),以AAAAA表示;還有GGQ和GGY。你可將這重複性高的小段序列看做句子中一再出現的單字。舉個例子,在這個句子中有綠色段落,也有紅色的聚丙氨酸,它們一再重複,在單一絲蛋白分子中就有千百次這樣的重複。

    同一隻蜘蛛製造出的絲蛋白可以擁有非常不同的重複序列。在螢幕上方,你看見的是來自長圓金蛛攀繩絲的重複序列單元,相當短。螢幕下方顯示的是-這是同一隻蜘蛛製造的,卵囊外層管狀絲蛋白的重複序列。你可以看到這些絲蛋白大不相同,這就是蜘蛛絲基因家族多樣性的美妙之處。你可以看見重複序列的長短和排列順序都不同,所以我再次將甘氨酸用綠色、丙氨酸用紅色、絲氨酸(serine, S)用紫色來註明。你可以看見上方的重複序列幾乎全是紅和綠的組合,下方的重複序列則有大量的紫色。我們研究蜘蛛絲的生物學家們,試著了解這些胺基酸序列和絲蛋白機械性能之間的關係。

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  • 好在蜘蛛絲都在蜘蛛體外,使我們在實驗室進行測試時容易多了。因為我們事實上是在空氣中進行測試,正如蜘蛛使用絲蛋白的環境,這使我們藉由拉伸測量以量化蜘蛛絲的特性,基本上就是拉扯絲的一端,進行測量的工作能順利完成。這是一幅應力曲線圖,來自對同一隻蜘蛛製造出的五種不同絲蛋白進行拉伸測量的結果。你們可以看到五種絲的表現各有千秋。特別要提的是,如果你看縱軸,標示的是應力;如果你觀察每種絲蛋白的最大應力值,可以看見其中差異極大。事實上,其中韌性最佳的是攀繩絲和大壺狀腺絲,我們猜想這是因為攀繩絲用來製造網的骨架和半徑線,所以必須相當有韌性。

    另一方面,如果你觀察伸展度,也就是絲能伸展多長;如果你觀察最大伸展值,同樣會發現其中有極大差異,最棒的是鞭狀腺絲或捕獵螺旋絲。事實上,鞭狀腺絲能伸展到原來長度的兩倍以上。所以絲纖維的強度不同,伸展性也不同。以捕獵螺旋絲為例,它須要能拉的很長,才能耐得住獵物飛來時的撞擊;如果絲無法拉得夠長,基本上當小蟲撞網時,牠會像掉到彈跳床上而被彈開。所以如果蜘蛛網全是用攀繩絲織成的,很可能昆蟲都會被彈跑了;但藉由伸展性超強的捕獵螺旋絲,蜘蛛網能吸收撲網小蟲帶來的衝撞。

    單單一隻小蜘蛛就能造出這麼多性質不同的絲,我們稱它們為蜘蛛的工具箱。蜘蛛用它們來應付周圍的環境。但不同種蜘蛛之間的差異又如何呢?讓我們看看不同種蜘蛛所造出的同類型蜘蛛絲。這仍是一個相當新的研究領域,但我有少許研究數據跟你們分享。這是21種蜘蛛生產的攀繩絲韌性比較結果,其中有些是圓蛛,另一些是非圓蛛種類。我們假定像這隻屬於圓蛛類的長圓金蛛(argiope)應該擁有韌性最強的攀繩絲,因為牠們必須攔截獵物。從這張韌性圖中你可以看到,圖中黑點越高代表韌性越強。

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  • 這21種蜘蛛的排列是根據其演化史上的位置,圖下方的演化樹顯示了牠們的基因關係。黃色代表的是圓蛛,你們看這兩個紅箭頭,指出斑絡新婦蛛(nephila clavipes)和園圃蜘蛛(araneus diadematus)的攀繩絲韌度值,這兩種蜘蛛是人造蜘蛛絲研究中投注最多時間與財力的項目,目的在於複製牠們的攀繩絲蛋白。但牠們的攀繩絲不是韌性最強的。事實上,在我們的調查中,韌性最強的攀繩絲落在白色區域中。這是一種非圓蛛類蜘蛛,這種攀繩絲是由花皮蛛(scytodes)製造的,牠是一種毒蜘蛛。花皮蛛並不造網來捕獵小蟲,而是潛伏著靜待獵物靠近,吐出絲狀的毒液來固定那隻可憐蟲。想想用一根可笑的絲來捕獵,這就是花皮蛛的覓食方式。我們並不真正了解為何花皮蛛須要如此高韌性的攀繩絲,但正是這種意想不到的結果,使物種勘探工作如此精彩而值得一搏;這種意想不到的結果使我們能盡情發揮想像力。

    現在讓我談談各種纖維的韌度值,包括尼龍纖維、桑蠶絲-或家蠶絲,羊毛、凱夫勒(Kevlar)纖維和碳纖維。你可以看到,幾乎所有蜘蛛攀繩絲的韌性都超過它們,因為它的強度、伸展度和韌度的結合優勢,使蜘蛛絲如此不同凡響,吸引了仿生科學家的注意,所以人們轉向大自然,試著尋找新的解決之道。蜘蛛絲的強度、伸展度和韌度,結合不會引起人體免疫反應的優點,使人們對蜘蛛絲的生醫應用價值產生了濃厚的興趣。舉例來說,用它做人工韌帶、引導神經再生或當做組織增生時的支架。

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  • 蜘蛛絲甚至在防彈領域也有被應用的潛力,蜘蛛絲可加在防彈衣和防彈設備中,使它們比現在的防彈設備更靈活輕便。除了以上這些蜘蛛絲仿生用途以外,我個人認為研究蜘蛛絲這件事本身就非常迷人有趣,我非常喜歡在實驗室裡收到新的蜘蛛絲序列,那感覺真是太棒了(笑聲),就像是蜘蛛和我分享一個古老的秘密,這就是為什麼我打算用一輩子來研究蜘蛛絲。下次你看見蜘蛛網時,請停下腳步仔細看看,你將看見已知高性能材料中一種最超級的材料。借用一句經典兒童讀物中蜘蛛夏綠蒂說的話-絲實在是太炫了。

    謝謝各位。

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