Samec vegetariánskeho středoamerického pavouka Bagheera kiplingii. Kredit: Maximilian Paradiz, Wikimedia Commons, CC BY 2.0

Jsou téměř všude

Pavouci. Pohybují se na osmi nohách, mnozí mají i osm očí a všichni speciální kusadla v podobě klepítek (chelicer) do nichž ústí jedové žlázy. Naštěstí příslušníci jen několika málo z těch asi 850 druhů, jež žijí v našich končinách, jsou sto prokousnout lidskou kůži. Ani ten náš nejjedovatější pavouk, zápřednice jedovatá (Cheiracanthium punctorium), kterou můžeme spíše jen náhodou zahlédnout na jižních nekosených loukách, stráních, či travnatých okrajích lesů, neútočí bez ohrožení a její kousnutí je sice bolestivé, ne však životu nebezpečné. Krutý osud ale čeká většinu menšího hmyzu, jehož let zastaví lepkavá, pružná, téměř neviditelně jemná, přesto překvapivě pevná vlákna pavučiny.

Beltova tělíska – malé výrůstky na koncích lístků některých akácií. Obsahují vysoké množství vitamínů, lipidů a proteinů a slouží jako potrava mravencům, ale také pavoukům druhu Bagheera kiplingii. Kredit: kafka4prez, Wikimedia Commons, CC BY-SA 2.0

Zdaleka ne všichni pavouci past v podobě sítě tkají a tato jejich schopnost se vyvinula před asi 250 miliony let, přibližně 100 milionů let po objevení se pravých pavouků na Zemi. Vyjma mrazivé Antarktidy je objevíme téměř všude na souši, ve spodní vrstvě troposféry a někdy také stratosféry, a vodouchu stříbřitému (Argyroneta aquatica) se podařilo osídlit i sladké stojaté vody Evropy a Asie díky schopnosti si pod hladinou shromažďovat vzduch v bublině mezi rostlinstvem. Doposud bylo identifikováno přibližně 50 a půl tisíce druhů pavouků a arachnologové nacházejí další. Tempem překvapujícím, o němž svědčí 1 121 nových druhů zaznamenaných mezi březnem 2021 a srpnem 2022. O rozmanitosti tohoto řádu členovců by se dala napsat rozsáhlá publikace, tak jen pro zajímavost uveďme, že nejmenším pavoučkem je v Kolumbii odhalený samec druhu Patu digua s délkou těla 0,37 milimetru. Na straně druhé, jihoamerický sklípkan největší (Theraphosa blondi) je při bezmála 12 centimetrech 322x delší. Když vezmeme v úvahu i délku nohou, pak jejich rozpětí dosáhne k 28 centimetrům.

Pavouk téměř vegetarián

Detail zlatého roucha. Plášť z pavoučího hedvábí byl poprvé vystavený v londýnském Victoria and Albert Museu v červnu 2012. Kredit: Cmglee, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0 (výřez)

Je obecně známo, že pavouci jsou lovci. Ale jako mnohá pravidla, i tohle má svou, v tomto případě téměř vegetariánskou výjimku. Jde o zářivě zbarvený středoamerický druh, jehož jméno Bagheera kiplingi vzdává hold Knize džunglí. A čím se živí? Místo lovu raději krade rostlinnou potravu mravencům na některých druzích středoamerických akácií, například na druhu Vachellia mayana. Mezi těmito stromy a takzvanými akáciovými mravenci (zejména druhu Pseudomyrmex ferruginea) se vyvinula zvláštní symbióza. Mravenci obývají duté tlusté dvojité trny stromů a nájemné splácejí ochranou před škůdci, například housenkami. Kromě bezpečného ubytování jim akácie nabízí nejen nektar svých květů, ale celoročně také drobné výrůstky na konečcích jednotlivých lístků složených zpeřených listů. Jde o Beltova tělíska plná vitamínů, proteinů a lipidů. Pavouci Bagheera kiplingi, kteří patří mezi skákavky, se naučili hbitě se vyhnout agresivním mravencům a za bílého dne jim téměř před kusadly krást tuto manu akáciovou. Tvoří asi 90 % jejich jídelníčku.

Samička madagaskarské snovačky zlaté - Nephila inaurata madagascariensis - na svém zlatistém vláknu Kredit: Charles J. Sharp, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

To dokazuje, že tento středoamerický pavouk s jménem odkazujícím na slavný Kiplingův indický příběh má výrazně změněný a doposud neprozkoumaný metabolizmus vzhledem ke svým lovícím příbuzným, kteří, jak je obecně známo, do své oběti vstříknou trávící šťávy a pak ji vysají.

První odborný popis objeveného druhu Bagheera kiplingi v Current Biology z roku 2009. Na konci článku 5 dostupných kratičkých videí ke stažení.

Zlatá přadlena

Na kolovratu spřádat ze slámy nitě z čistého zlata, tím známá pohádka předčí i středověké “desinformace“ o mystickém kameni mudrců, jenž měl alchymistům umožnit proměnu neušlechtilého kovu ve vytoužené zlato. Představte si ty ekonomické důsledky, které by objev takového katalyzátoru způsobil. Ještě, že fungují fyzikální zákony! To však neznamená, že svět kolem nás vnímavým nenabízí mnoho překvapivých zázraků. Mezi ně jistě patří i pavoučí vlákno, jež je při stejné tloušťce silnější než ocel a tvrdší než kevlar. Je pevné, přesto pružné a jeho výrobce dokáže přímo při spřádání do velké míry ovlivňovat některé jeho vlastnosti.

Pavoučí snovací bradavky zblízka Kredit: Syddansk Universitet

Pavoučí hedvábí může mít i barvu čistého zlata, na slunci zářit stejným leskem a vábit tak některé druhy hmyzu. Přeháním? Obrázek detailu zlatého pláště utkaného a vyšitého ze splétaných vláken madagaskarských pavouků z čeledi křížákovití, druhu Nephila inaurata madagascariensis snad prokáže, že ne. Celý plášť vznikl ušitím z téměř 4 m dlouhého a 1,5 m širokého pásu utkaného v průběhu 3 let tradiční technologií domorodých obyvatel Madagaskaru. Jde o výsledek sedmiletého projektu, do něhož bylo zapojeno 80 lidí a 1,2 milionů pavouků, kteří byli odchytáváni v přírodě, chvíli vězněni, obíráni o vlákno, aby pak byli opět puštění na svobodu.

Dva klíčoví autoři studie z Katedry biochemie a molekulární biologie Univerzity jižního Dánska, Irina Iachina a Jonathan Brewer Kredit: Syddansk Universitet

Samozřejmě, že jde o zajímavý, ale nákladný a tím pádem stěží opakovatelný počin dvou iniciátorů – amerického módního návrháře Nicholase Godleyho a britského historika umění a textilního experta Simona Peerse, kteří oba po mnoho let žili na tomto východoafrickém ostrově. Nebyli však zdaleka první, myšlenka použití pavoučího hedvábí ke tkaní látky je stará přes 300 let a poslední významný úspěšný pokus učinil francouzský jezuitský kněz Jacob Paul Camboué na přelomu 19. a 20. století. Na Madagaskaru přežil většinu svého života a kromě domorodé kultury studoval tamní bezobratlé živočichy, tedy i pavouky. Jedno z videí pod textem představuje zmíněný projekt tkaní zlatého pláště, jenž byl poprvé prezentován v roce 2009 v přírodovědném muzeu v New Yorku. Od roku 2012 je k vidění v londýnském Victoria and Albert Museum – muzeu založeném v roce 1852 a těsně před koncem 19. století pojmenovaném podle královny Viktorie a jejího manžela prince Alberta.

Pavoučí vlákno jako objekt výzkumu a zdroj inspirace

Struktura pavoučího vlákna – schematické znázornění (bez měřítka) vrstev odlišných vlastností Vnější zeleně označená vrstva bohatá na lipidy o tloušťce 0,6 až 1 µm, pod ní modře označena vrstva s vyšší afinitou k hydrofilnímu fluorescenčnímu barvivu z fibril s amorfnější vnitřní strukturou, oranžové jádro s vyšší afinitou k hydrofobnímu barvivu tvoří tisíce fibril s krystalickou proteinovou vnitřní strukturou Kredit: Scientific Reports (2023). DOI: 10.1038/s41598-023-33839-z

Tajemství lehounkého, překvapivě pevného, a přitom pružného vlákna luštilo již mnoho vědců, podrobnější popis by jistě vydal na mnoho stran a pořád je co zkoumat. I hledat možnosti praktického využití při vývoji umělých vláken. Kdyby dosáhla vlastností porovnatelných s přírodními, mohla by předčit kevlarová, uhlíková nebo polyesterová vlákna. A když už s přirozeností našemu druhu vlastní řešíme mezinárodní konflikty zbraněmi, je jistě zajímavé, že taková syntetická pavučinová vlákna by umožnila výrobu lehkých a kvalitních neprůstřelných vest (zde). Protože napodobit v laboratoři syntézu přírodního materiálu není jen tak, vědci to zkoušeli pomocí genetické manipulace a vnesli příslušné pavoučí geny, které odpovídají za složení vlákna do buněk mléčných žláz kozy, do bakterie E-coli, do kvasnic, nebo známého producenta přírodního hedvábí – bource morušového (více zde). Je to složitá, ekonomicky nákladná cesta, která se originálnímu pavoučímu produktu, k němuž vedl stovky milionů let dlouhý vývoj, může jen do nějaké míry přiblížit. Pavoučí vlákno, i když je tak tenounké, není homogenní, ale jak dokládá i studie nedávno zveřejněna v rubrice scientific reports časopisu Nature a je volně dostupná zde, se skládá z vrstev s odlišnými vlastnostmi. První autorkou článku je mladá postdoktorandka, biofyzička Irina Iachina z Katedřy biochemie a molekulární biologie Univerzity jižního Dánska (SDU – Syddansk Universitet). Díky dánské Nadace Villum získala možnost pomocí nejmodernějších mikroskopů Massachusettského technologického institutu v americkém Bostonu, známého pod zkratkou MIT, bádat nad strukturou zlatisté příze produkované výše zmíněným madagaskarským podruhem Nephila inaurata (= Trichonephila inaurata).

CRFD mikroskopický snímek středního řezu hlavního ampulárního vlákna pavouka druhu Nephila inaurata. Bílá úsečka znázorňuje 5 µm. Kredit: Scientific Reports (2023). DOI: 10.1038/s41598-023-33839-z

Spolu se svým starším kolegou z SDU, biofyzikem Jonathanem Brewerem studovali vnitřní strukturu pavoučího vlákna sofistikovanými zobrazovacími metodami, které umožňují mikrometry tenký materiál proskenovat do hloubky, aniž by ho v zorném poli přístrojů museli jakkoli rozříznout nebo před manipulací upravovat například zmrazením. To by totiž mohlo ovlivnit jemnou konstrukci vlákna sestávajícího z mnoha souběžných, velice tenoučkých fibril tvořených několika proteiny s dlouhými řetězci aminokyselin. Ze snovacích bradavek se vylučují v podobě vazké tekutiny, jež v přesně vymezeném krátkém čase na vzduchu tuhne, jinak by se tkaní sítě nedařilo.

Iachina a Brewer použili neinvazivní, případně málo invazivní metody, jejichž názvy jsou bez vysvětlení srozumitelné jen odborníkům: koherentní anti-Stokesova - Ramanova rozptylová spektroskopie (CARS), různé varianty konfokální mikroskopie, např. reflexní fluorescenční mikroskopie s redukcí fluorescence stimulovanou emisí STED s ultra vysokým rozlišením, rastrovací mikroskopie využívající ionty helia apod. Svoji pozornost zaměřili na dva typy vlákna – na hlavní a vedlejší ampulární vlákno, jež produkují ampulární (měchýřovité) žlázy osminohých zlatých přadlen rodu samiček Nephila. Hlavní ampulární vlákno pavouk snová, když potřebuje spouštěcí lano nebo tvoří hlavní osnovu pavučiny. Je silnější, s průměrem asi 10 mikrometrů, tedy setinu milimetru. Fibrily, z nichž sestává, mají tloušťku pouhých 145 nanometrů, tedy miliontin milimetru. Ale ještě tenčí, jen 116 nanometrové jsou fibrily pružnějšího vedlejšího ampulárního vlákna s celkovým průměrem asi 5 mikronů, které pavouk produkuje při vyplétání hustější struktury sítě. Vědci použili dvě fluorescenční barviva – hydrofilní a hydrofobní, což umožnilo rozlišit jednotlivé vrstvy, z nichž se subtilní pavoučí hedvábí skládá. Přístroje pomohly odhalit, že na vnějším obvodu vlákna jsou do hloubky asi 1 µm u silnějšího a do 0,6 µm u tenčího typu fibrily bohaté na lipidy (tuky). Tento nenasákavý vodoodpudivý povrch umožňuje kapičkám ranní rosy ozdobovat pavučiny jako drobné brilianty. Pod tímto, na tuky bohatým povrchem je vrstvička proteinových fibril s téměř amorfní vnitřní strukturou, která absorbovala více hydrofilní barvivo. Jádro tvoří soustava podélných proteinových vláken s vyvinutější krystalickou strukturou. Tento střed vlákna vykazoval vyšší afinitu k hydrofobnímu fluorescenčnímu barvivu (viz obrázek výš vpravo).

Prapředci současných pavouků prý kdysi snovali svou hedvábnou nit zejména pro tvorbu kokonů chránících jejich vajíčka. Dnes, v závislosti od čeledi a rodu dokáží budovat různě složité a tvarované lovecké sítě a k tomuto účelu i produkovat vlákna odlišných vlastností. A přes desetiletí výzkumu a pokusů nedokážeme tento jejich produkt replikovat uměle v laboratoři. Proto tam, kde nám pavouci nevadí, nebo dokonce pomáhají lovem much a jiného hmyzu, jež týrá hospodářská zvířata, neničme jejich křehká, téměř umělecká díla. Tedy pokud nutně nemusíme. Vytvořit pavučinu totiž není jen tak. Ani pro pavouka.

Video: Proč je pavoučí vlákno pevnější než ocel. Video zmiňuje i možnosti biosyntézy pavoučího vlákna pomocí jiných organismů a omezující limity těchto postupů, které tkví kromě jiného i ve velikosti molekul bílkovin. A ty se nedaří reprodukovat. Jednoduše – pavouk svede soukat nitě, jaké zatím my nedokážeme.

Video: Jak vznikl zlatý plášť z pavoučího hedvábí

Další video: Genetické inženýrství – cesta k biosyntetickému pavoučímu vláknu

Literatura: Nature, Syddansk Universitet, CNN (další zdroje v hypertextových odkazech v článku)