چری هایاشی:عظمت تار عنکبوت

من اينجام تا از حقيقتي درباره عظمت عنكبوت ها صحبت كنم و اينكه تا چه حد مي توان از آنها آموخت. عنكبوت ها واقعا در همه جاي زمين ساكن هستند. شما عنكبوت ها را تقريبا در همه جاي كره خاكي مي تونيد پيدا كنيد. اين نقطه قرمز رنگ منطقه " گرت بسين" در شمال آمريكا رو نشون ميده. منم با تعدادي از همكارام در اونجا مشغول انجام يه پروژه متنوع زيستي هستم . اينجا يكي از مكان هاي تحقيقي ماست و براي اينكه نمايي از اين مكان رو به شما نشون بدم اين نقطه آبي كوچولو اينجا يكي از همكارامه. اينجا يك زمين باير و سنگلاخ است، با اين وجود چند تا عنكبوت اينجا هستند. با برگرداندن سنگ اين عنكبوت خرچنگي رو مي بينيد كه يه سوسك رو شكار كرده.
عنكبوت ها نه تنها در همه جا هستند بلكه بي نهايت متنوع هم هستند. تا كنون حدود بيش از چهل هزار نوع عنكبوت شناخته شده است. اگه اين عدد رو درون نمودار بذاريم اين نمودار مقايسه اي چهل هزار نوع عنكبوت با چهارصد نوع اوليه عنكبوت ها است. در مقايسه با نوع هاي اوليه دو رديف بيشتر از انواع عنكبوت ها اينجا وجود داره. عنكبوت ها در عين حال قدمت زيادي هم دارند. در انتهاي اين نمودار معيار زماني زمين شناسي رو مي بينيد اعداد روي آن نمايانگر ميليونها سال پيش تا زمان حال است. ،نقطه صفر در اينجا زمان حال رو نشان ميده. بنابراين آنچه كه اين نمودار نشون ميده اينه كه قدمت عنكبوت ها تقريبا به 380 ميليون سال پيش بر ميگرده. با گذاشتن اين عدد در نمودار [متوجه طول قدمت آنها ميشيم] اين ستون عمودي قرمز در اينجا زمان جدايي نسل انسان از شامپانزه رو نشون ميده، که صرفا به هفت ميليون سال پيش برميگرده.
همه عنكبوتها در دوران مختلفي از زندگي شان تار درست ميكنند. بسياري از آنها مقادير زيادي تار درست ميكنند و تار براي بقا و توليد مثل آنها نقشي حياتي دارد. حتي عنكبوت هاي فسيل شده ميتونن تار بسازن، چنانكه در اين تصوير نمايي از آثار اندام تار ساز عنكبوت رو ميتونيد ببينيد. اين بدين معني است كه هم عنكبوتها و هم تار عنكبوتها در حدود 380 ميليون سال قدمت دارند. از زمان شروع كار با عنكبوتها چيزي طول نمي كشه تا متوجه بشيد كه تار عنكبوت تا چه در تمام وجوه زندگي آنها حياتي است. عنكبوت ها از تار براي مقاصد مختلفي استفاده مي كنند، مثلا يک شبكه ايمني، پوشاندن تخم ها براي توليد مثل، اقدامات حفاظتي و به دام انداختن طعمه .
تار عنكبوت انواع متفاوتي دارد. مثلا اين عنكبوت باغچه قادره هفت نوع تار مختلف توليد كنه. وقتي به حلقه هاي اين تار نگاه مي كنيد، مي تونيد در واقع انواع متفاوتي از فيبرهاي تار رو ببينيد. قالب اين شبكه از يك نوع تار ساخته شده در حاليكه كه بدنه مارپيچي آن تركيبي از دو نوع تار متفاوت است: فيلامنت و قطره هاي چسبناك . چطور يك عنكبوت به تنهايي اينهمه انواع متفاوت از تار رو درست مي كنه؟ براي پيدا كردن جواب شما بايد نگاهي دقيقتر به منطقه تار ساز عنكبوت بندازيد. تار ها از قسمت تارساز بيرون مي آيند ما عنكبوت شناسان معمولا به اين قسمت مي گيم "اندام انتهايي فعال" عنكبوت. (خنده حضار) ما روزهاي زيادي رو صرف كرديم ... نخنديد! اين زندگي منه . (خنده حضار) ما روزها و شبهاي زيادي رو صرف خيره شدن به اين قسمت از عنكبوت كرديم. و اين چيزيه كه مي بينيم. شما مي تونيد دسته هاي چندتايي فيبري كه از بخش تار ساز بيرون مي آيند رو ببينيد، چرا كه هر بخش تارساز چندين برآمدگي داره. هر كدوم از اين فيبرها از اين برآمدگي ها بيرون مي آيند و اگه رد فيبر ها رو تا درون شكم عنكبوت دنبال كنيد ،چيزي كه مي بينيد اينه كه اينه كه هر كدوم از اين برآمدگي ها به غده تار ساز خودش وصل شده. يك غده تار ساز مثل كيسه اي مي مونه كه توش پر از پروتئين تاره. بنابراين اگه زماني شانس بازكردن كيسه تارساز عنكبوت رو داشتيد و اميدوارم كه داشته باشيد، يك عالمه غده زيباي شفاف تارساز رو خواهيد ديد.
درون هر عنكبوت صدها و گاهي هزاران غده تار ساز وجود داره . اين غده ها رو ميشه به هفت دسته تقسيم كرد. آنها از نظر اندازه، شكل، و حتي گاهي اوقات رنگ با هم فرق مي كنند. در بخش تار ساز يك عنكبوت شما مي تونيد هفت نوع غده تار ساز رو ببينيد. و اونچه كه من در اينجا به تصوير كشيده ام، از بالا سمت راست شروع ميكنم. اينجا غده هاي توبولين شكل تار سازي هستن كه تار بخش بيروني كيسه تخم رو شكل ميدن. اينها غدد تار ساز گره اي تاژك شكلي هستن كه در تركيب با هم بخش چسبناك تار عنكبوت رو مي سازند. غده تار ساز گلابي شكل قسمت سفت چسبناكي رو ميسازند كه تار با آنها به جاهاي مختلف مي تونه وصل بشه. در اينجا حتي غده خوشه اي هم هست كه براي به دام انداختن طعمه به كار ميره. در ساختار شبكه تار مجموع اين تارها به كار رفته. و تاري كه بيشترين مطالعه روش انجام گرفته تار شبكه است. اين تاري است كه براي شكل دادن قالب و مدارهاي شبكه تار به كار ميره، همچنين بخش حفاظتي تار رو هم شكل ميده.
اما تار عنكبوت دقيقا چيه؟ تار عنكبوت تقريبا تماما پروتئينه. تقريبا تمام اين پروتئين ها رو ميشه بوسيله ژن ها تشريح كرد، و اين به اين معني است كه تنوعي كه امروز در تار عنكبوت مي بينيم، بوسيله ژن ها رمز گشايي شده اند، اينجوري احتمالا اجداد عنكبوت ها يك نوع تار درست مي كردند و در طول 380 ميليون سال اون ژن تار بازسازي شده ، و سپس به شكل خاصي دگر گون شده و دوباره و دوباره اين روند شكل گرفته تا به اين حد از تنوع و پراكندگي كه امروز در تا عنكبوت مي بينيم رسيده. اين تارها در چند ويژگي با هم مشتركند. آنها همه يك طرح يكسان دارند ، مثلا خيلي درازند-- كه در مقايسه با انواع ديگه از پروتئين ها يه جور عجيبي دراز هستند. ژن ها خيلي زياد تكرار شده و همه آنها سرشار از آمينو اسيد گليسين و آلانين هستند. براي اينكه بهتون تصويري از يك تار عنكبوت بدم ، اين يه تار پروتئيني محافظتي است اين فقط پروتئين تار است كه از يك عنكبوت سياه بيوه گرفته شده. اين يه جوري همون سكانسيه كه دوست دارم روز و شب تماشاش كنم.
در اينجا شما حرف اختصاري آمنيو اسدها رو ميبيند كه من اونها رو رنگي كردم گلاسين با سبز و آلانين با قرمز و به همين شكل . همينجوري كه مي بينيد اينجا يه عالمه G و A وجود داره. همينطور مي تونيد توالي هاي كوچكي رو ببينيد كه مدام تكرار شده اند مثلا اينجا يه عالمه پلي آمنين رو مي بينيد. به شكل A AAAAA. اينجا GGQ و اينجا GGY. مي تونيد اين توالي هاي كوچيك رو به شكل كلماتي ببينيد كه مدام تكرار مي شند. و اين كلمات جمله ها رو تشكيل مي دهند. مثلا اين مي تونه يه جمله باشه، شما مي تونيد اين بخش سبز رنگ يا پلي آمين هاي قرمز رو كه مدام تكرار ميشند رو برداريد و ببينيد كه صدها و صدها و صدها بار اين رديف در يك مولوكول تار به تنهايي وجود دارند.
تارهاي توليد شده از يك عنكبوت مشابه مي تونه به طرز زيادي توالي هاي متفاوتي داشته باشه. در بالاي صفحه، شما توالي تكرار شونده تار محافظتي يك عنكبوت باغچه رو مي بينيد. خيلي كوتاهه. و در پايين اين توالي تكرار تار كيسه تخمدان ، يا پروتئين توبولين ، يك عنكبوتي است دقيقا مشابه عنكبوت اول. مي بينيد كه تا چه حد اين پروتئين هاي تار با هم متفاوت هستند. اين يك نمونه از زيبايي متنوع ژن هاي خانوادگي تار عنكبوت است. مي بينيد كه بخش هاي تكرار شونده از نظر درازا با هم فرق مي كنند، آنها حتي در توالي ها هم فرق مي كنند. بنابراين من دوباره در اينجا گلاسين رو با رنگ سبز، آلانين رو با قرمز و سرين (S) رو با زرشكي نشون دادم. همونطور كه مي بينيد، بخش بالايي تماما از سبز و قرمز تشكيل شده و بخش پاييني مقدار قابل توجهي از رنگ زرشكي رو در خودش داره. كاري كه تارشناسان انجام مي دهند اينه كه سعي مي كنند كه اين توالي هاي آمينو اسيد ها رو به ملحقات مكانيكي فيبرهاي تار ربط دهند.
اينكه عنكبوت ها تارهاشون رو كاملا در بيرون از بدنشان به كار ميبرند كار آزمايش تار رو در آزمايشگاه براي ما كاملا راحت كرده چرا كه همونطور كه مي دونيد ما آزمايش ها مون رو در هوا انجام مي دهيم.. دقيقا جايي كه عنكبوت ها از پروتئين هاي تارشون استفاده مي كنند اينجوري ما مي تونيم ملحقات تار رو به كمك روش هايي مثل آزمايش كشساني آزمايش كنيم. روشي كه در اون به آرامي يك سمت تار رو مي كشيم اين منحني هاي ميزان فشار-كشش تار است كه به كمك آزمايش هاي كشساني بر روي پنج فيبر تار يك عنكبوت به دست آمده. در اينجا مي بينيد كه اين پنج تار ويژگي هاي متفاوتي از خود نشون مي دهند. خصوصا اگه به محور عمودي يعني محور ميزان فشار نگاه كنيد، در بالاترين نقطه مي بينيد كه ميزان فشار براي هر تار تا چه حد متفاوت است. و در حقيقت تار محافظ، مقاوم ترين نوع فيبر را دارد. به نظر ما اين بدين خاطر است كه تار محافظ كه نقش تشكيل قالب و مدارهاي شبكه تار رو دارد، مي بايست بسيار مقاوم باشند.
از طرف ديگه اگه به محور ميزان مقاومت نگاه كنيد - اين محور قابليت كشساني هر فيبر رو نشون ميده. در اينجا هم در نقطه هاي اوج باز تنوع رو مي بينيد. در اينجا بيشترين ميزان براي تارسازها يا تارهاي به دام انداختن طعمه هستند. در حقيقت،‌هر فيبر تار شكار مي تونه دوبرابره اندازه طبيعي اش كش بياد. بنابراين فيبرهاي تار از نظر ميزان كشش و مقاومت بسيار متنوع مي باشند. در مورد تار شكار اين تار بايد از كشساني بالايي برخوردار باشه تا بتونه حشره هاي پرنده رو به دام بياندازه. اگه اين تار تا اين حد قابليت كشساني نداشته باشه طبيعتا وقتي يه حشره اي به تار برخورد ميكنه فقط از روش مي افته پايين. بنابراين اگه كل شبكه تار از جنس تارهاي محافظتي ساخته شده بود، حشره به راحتي روي تار معلق مي زد و ميرفت. اما با داشتن تاري فوق العاده كششي، شبكه قادره تا تاثير حضور حشره به دام افتاده رو به عنكبوت انتقال بده.
اين تنها گوشه اي از تنوع درون فيبر تارهايي است كه يك عنكبوت مي تونه بسازه. ما اسم اينو گذاشتيم" جعبه ابزار عنكبوت". اين چيزيه كه عنكبوت براي برقراري ارتباط با طبيعت ازش بهره ميگيره. اما تنوع گونه هاي مختلف عنكبوت چي؟ حالا كه به تنوع يك نوع تار پرداختيم عظمت تنوع گونه هاي مختلف رو بنگريد. اين محدوده از لحاظ زيادي ناشناخته است. اما كمي اطلاعات هست كه مي تونم بهتون نشون بدم. اين نمودار مقايسه اي ميزان سختي تارهاي محافظتي 21 گونه عنكبوت مختلف است. برخي از اونها عنكبوت هاي گرد باف هستند و برخي هم غير گرد باف. فرض بر اين است كه عنكبوت هاي گرد باف، مثل اين آرجيوپ كوچولو بايد سخت ترين تارهاي محافظتي رو داشته باشند، چرا كه آنها حشره هاي پرنده رو شكار مي كنند. چيزي كه اينجا رو اين نمودار ميزان سختي مي بينيد اينجوريه كه هر چي نقطه سياه روي نمودار بالاتر باشه، تار سخت تره.
21 نوع عنكبوت در اينجا بر اساس تکامل نژادي، نشان داده شده اند، اين شجره تكامل رابطه هاي ژنتيكي آنها را نشان ميدهد و من تيره عنكبوت هاي گردباف رو با رنگ زرد نشان داده ام. اين دوتا فلش قرمز رنگ در اينجا ميزان سختي تارهاي محافظتي گونه نفيلا كالويس (nephila clavipes) و آرنا دايادماتوس (araneus diadematus) هستند. اينها دوگونه از عنكبوت هايي هستند كه در آزمايشگاه هاي توليد تار مصنوعي براي نمونه سازي پروتئين تارهاي محافظتي شان بيشترين ميزان وقت و هزينه صرف شده است. كه در آزمايشگاه هاي توليد تار مصنوعي براي نمونه سازي پروتئين تارهاي محافظتي شان بيشترين ميزان وقت و هزينه صرف شده است. كه در آزمايشگاه هاي توليد تار مصنوعي براي نمونه سازي پروتئين تارهاي محافظتي شان بيشترين ميزان وقت و هزينه صرف شده است. با اين وجود تار محافظتي آنها سختترين نوع تار نيست. در حقيقت سخت ترين تار محافظتي در اين تحقيق متعلق به اين نمونه در منظقه سفيد است، يك عنكبوت غير گردباف. اين تار محافظتي اسكايتوديز (scytodes) است يك عنكبوت زهر افشان. اسكاي توديز براي به دام انداختن طعمه هرگز از تار استفاده نمي كنه در عوض در جايي كمين كرده و منتظر ميشه تا حشره بهش نزديك بشه و بعد با پاشيدن زهري تار شكل حشره رو فلج مي كنه. يه جور شكار به شيوه غير معمول رو در نظر بگيريد اسكايتوديز ها به اين شيوه شكار ميكنند. علت اينكه چرا اسكايتوديز ها تار محافظتي تا اين حد مقاوم دارند براي ما روشن نيست اما همين نتايج غير منتظره است كه تحقيقات زيستي رو هيجان انگيز و ارزشمند ميكنه. اين ما رو از بند هاي تخيلمان رها ميكنه.
حالا ميخوام ميزان سختي فيبر نايلون ابريشم بامبيكس-- يا همون ابريشم دست بافت-- پشم، كولار و فيبرهاي كربن رو نشون بدم. و حقيقت اينه كه تقريبا در تمام عنكبوت ها سختي تار از اين مواد بيشتره. اين تركيب سختي،انعطاف پذيري و مقاومت است كه تار عنكبوت را خاص كرده است. و تا اين حد توجه زيست شناسان را جلب كرده به گونه اي كه افراد به طبيعت رو ميارن تا راه كارهاي جديد از آن پيدا کنن. مقاومت،انعطاف پذيري و سختي تارهاي عنكبوت به علاوه اين حقيقت كه تارها واكنش مصونيت پذيري از خود نشان نمي دهند توجه زيادي را به كاربرد تار عنكبوت در زمينه زيست پزشكي جذب كرده است. مثلا در ساختار اجزاي تاندوم مصنوعي براي رشد دوباره اعصاب و همچنين براي ايجاد زمينه هايي براي رشد بافت ها.
عنكبوت ها همچنين كاربرد هاي زيادي به خاطر توانايي هاي ضد بالستيكشان دارند. تارها مي توانند در بدنه و ساختار تجهيزات زرهي به كار رفته و زره هايي سبك تر و قابل انعطاف تر از هر زرهي كه تا كنون داشته ايم را ارايه دهند. جداي از اين كاربردهاي زيستي شبيه ساز شده از تار عنكبوت ها من شخصا تحقيق بر روي تار عنكبوت ها رو به نوبه خود بسيار حيرت انگيز ديدم. زماني كه در آزمايشگاه هستم از ديدن صحنه خارج شدن يك تار عاشقانه لذت مي برم. اين بهترين چيز است. انگار كه عنكبوت ها يك راز باستاني را با من به اشتراك مي گذارند و درست به همين دليل مي خواهم مابقي زندگي ام را با تحقيق بر تار عنكبوت ها سپري كنم. دفعه بعد كه در جايي تار عنكبوت ديديد، لطفا براي لحظه اي مكث كنيد و از نزديك تماشا كنيد. شما شاهد يكي از متنوع ترين موادي خواهيد بود كه تا به امروز شناخته شده است. با قرض گرفتن يك جمله از نوشته اي درباره عنكبوتي به اسم شارلوت، مي خوام بگم تار عنكبوت شگفت انگيز است.
ممنونم.( تشويق حضار)
(تشويق حضار)