ABOUT THE SPEAKER
Cheryl Hayashi - Spider silk scientist
Cheryl Hayashi studies the delicate but terrifically strong silk threads that make up a spider's web, finding startling applications for human use.

Why you should listen

Biologist Cheryl Hayashi is fascinated with spiders and their silks, and for good reason. Made of a mix of proteins, spider silks come in thousands of variations; there are over 40,000 species of spiders, with many spiders capable of producing half a dozen types. Some silks have the tensile strength of steel -- and often are much tougher -- while remaining light as air and extremely supple. And spiders use their silk in diverse ways: to make their homes and trap their food, to travel, to court and to protect their eggs.
 
In her lab at UC Riverside, Hayashi explores spider silk’s genetic makeup, evolution and unique biomechanics (winning a MacArthur “genius" grant for it in 2007). Her work blurs the boundary between biology and materials science, looking for the molecular basis of this wondrous material and exploring how humans might learn from it. Hayashi's work may inspire new biomimetic materials for a huge variety of uses, from biodegradable fishing lines and sutures to superstrong ropes and armor cloth.

More profile about the speaker
Cheryl Hayashi | Speaker | TED.com
TED2010

Cheryl Hayashi: The magnificence of spider silk

Cheryl Hayashi 談美妙的蜘蛛絲

Filmed:
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Cheryl Hayashi 研究世界上最高性能的材料之一:蜘蛛絲。每一種蜘蛛可以製造最多七種不同的絲。牠們是怎麼做到的?Hayashi 從 DNA 的角度來解釋這個問題並談及這種超強、超軟的材料所帶給我們的啓發。
- Spider silk scientist
Cheryl Hayashi studies the delicate but terrifically strong silk threads that make up a spider's web, finding startling applications for human use. Full bio

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00:16
I'm here to spread傳播 the word about the
0
1000
2000
我為了宣傳蜘蛛的偉大
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magnificence壯麗 of spiders蜘蛛
1
3000
2000
及眾多可向其學習之處
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and how much we can learn學習 from them.
2
5000
3000
而來到這邊。
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Spiders蜘蛛 are truly global全球 citizens公民.
3
8000
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蜘蛛是世界公民,
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You can find spiders蜘蛛 in nearly幾乎
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10000
2000
你幾乎可以在世界各地
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every一切 terrestrial陸生 habitat棲息地.
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12000
2000
皆發現到蜘蛛的蹤跡。
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This red dot marks分數
6
14000
2000
這些紅點
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the Great Basin盆地 of North America美國,
7
16000
2000
是北美大盆地,
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and I'm involved參與 with an alpine高山 biodiversity生物多樣性
8
18000
2000
我與一些人在那邊合作
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project項目 there with some collaborators合作者.
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20000
2000
研究高山生物多樣性。
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Here's這裡的 one of our field領域 sites網站,
10
22000
2000
這是一個我們做田野調查的地方,
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and just to give you a sense of perspective透視,
11
24000
2000
讓你們瞭解一下,
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this little blue藍色 smudge弄髒 here,
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26000
2000
這些藍色的點點,
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that's one of my collaborators合作者.
13
28000
2000
那是我合作的其中一個對象。
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This is a rugged崎嶇 and barren荒蕪 landscape景觀,
14
30000
3000
這是一個崎嶇的荒蕪地,
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yet然而 there are quite相當 a few少數 spiders蜘蛛 here.
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33000
2000
但那裡也有許多蜘蛛。
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Turning車削 rocks岩石 over revealed透露 this crab螃蟹 spider蜘蛛
16
35000
4000
把石頭翻開就會發現下面有很多蟹蛛
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grappling擒拿 with a beetle甲蟲.
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39000
2000
抓著甲蟲。
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Spiders蜘蛛 are not just everywhere到處,
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41000
3000
蜘蛛不只是到處都是,
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but they're extremely非常 diverse多種.
19
44000
2000
它們也極其多樣化。
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There are over 40,000 described描述 species種類
20
46000
3000
已知的蜘蛛種類有
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of spiders蜘蛛.
21
49000
1000
四萬多種。
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To put that number into perspective透視,
22
50000
2000
為了讓你們對此數字有更深刻的體認,
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here's這裡的 a graph圖形 comparing比較 the 40,000
23
52000
2000
這個圖將四萬種蜘蛛
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species種類 of spiders蜘蛛
24
54000
2000
和四百種靈長類
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to the 400 species種類 of primates靈長類動物.
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56000
2000
放在一起做比較。
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There are two orders命令 of magnitude大小 more
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58000
2000
蜘蛛比靈長類
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spiders蜘蛛 than primates靈長類動物.
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60000
2000
多了百倍。
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Spiders蜘蛛 are also extremely非常 old.
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62000
4000
蜘蛛也是很古老的。
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On the bottom底部 here,
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66000
2000
在這邊底下,
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this is the geologic地質 timescale時間表,
30
68000
2000
這是地質時間表,
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and the numbers數字 on it indicate表明 millions百萬
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70000
2000
這些數字代表百萬年前,
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of years年份 from the present當下, so the zero here,
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72000
2000
所以這邊這個零
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that would be today今天.
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74000
2000
就是現在。
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So what this figure數字 shows節目 is that spiders蜘蛛
34
76000
3000
這個圖表告訴我們
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date日期 back to almost幾乎 380 million百萬 years年份.
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79000
4000
蜘蛛在三億八千多萬年前就存在了。
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To put that into perspective透視, this red
36
83000
2000
巨觀來看,這個紅線
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vertical垂直 bar酒吧 here marks分數 the divergence差異 time
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85000
3000
劃出人和黑猩猩
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of humans人類 from chimpanzees黑猩猩,
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88000
3000
開始分歧的時間點,
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a mere seven million百萬 years年份 ago.
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91000
3000
僅僅發生在七百萬年前。
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All spiders蜘蛛 make silk
40
94000
2000
所有蜘蛛在它一生中
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at some point in their life.
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96000
2000
的某些時刻都會製造蜘蛛絲。
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Most spiders蜘蛛 use copious豐富 amounts of silk,
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98000
3000
大部份蜘蛛會用大量的蜘蛛絲,
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and silk is essential必要 to their survival生存
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101000
2000
且蜘蛛絲對牠們的生存
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and reproduction再生產.
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103000
2000
和繁殖非常重要。
02:00
Even fossil化石 spiders蜘蛛 can make silk,
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105000
2000
就連遠古時期的蜘蛛也可以製造絲,
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as we can see from this impression印象 of
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107000
2000
我們可以從這個化石印記上
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a spinneret噴絲板 on this fossil化石 spider蜘蛛.
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109000
3000
看到這石化蜘蛛的噴絲頭。
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So this means手段 that both spiders蜘蛛
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112000
2000
所以這表示
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and spider蜘蛛 silk have been around
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114000
2000
蜘蛛和蜘蛛絲都已存在
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for 380 million百萬 years年份.
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116000
4000
三億八千多萬年了。
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It doesn't take long from working加工 with spiders蜘蛛
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3000
其實不需要研究蜘蛛很久
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to start開始 noticing注意到 how essential必要 silk is
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3000
就可以發現蜘蛛絲對蜘蛛有多重要
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to just about every一切 aspect方面 of their life.
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127000
3000
幾乎與蜘蛛生存的每一個層面都息息相關。
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Spiders蜘蛛 use silk for many許多 purposes目的, including包含
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3000
蜘蛛用蜘蛛絲做很多事,
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the trailing尾隨 safety安全 dragline吊鬥鏟,
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133000
2000
像是用以作攀登的安全索、
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wrapping包皮 eggs for reproduction再生產,
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135000
3000
包覆卵以利繁殖、
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protective保護的 retreats務虛會
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138000
2000
協助逃跑、
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and catching prey獵物.
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140000
2000
和捕捉獵物。
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There are many許多 kinds of spider蜘蛛 silk.
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142000
2000
蜘蛛絲有很多種,
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For example, this garden花園 spider蜘蛛 can make
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144000
3000
舉例來說,這種花園蜘蛛
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seven different不同 kinds of silks.
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147000
2000
可以製造七種蜘蛛絲。
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When you look at this orbORB web捲筒紙, you're actually其實
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2000
當你看著這個蜘蛛網的時候,
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seeing眼看 many許多 types類型 of silk fibers纖維.
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151000
3000
你事實上正在看著很多種絲纖維。
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The frame and radii半徑 of this web捲筒紙
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154000
2000
網的外框與輻射狀軸線
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is made製作 up of one type類型 of silk,
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156000
3000
是由一種蜘蛛絲構成的,
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while the capture捕獲 spiral螺旋 is a composite綜合
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159000
2000
而這用來捕捉獵物的螺旋狀絲線,
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of two different不同 silks:
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161000
2000
是由兩種不同的絲所組成的:
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the filament燈絲 and the sticky droplet水滴.
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163000
3000
分別是絲狀物和這黏稠的液滴。
03:01
How does an individual個人 spider蜘蛛
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166000
3000
一隻蜘蛛是如何
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make so many許多 kinds of silk?
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169000
3000
製造這麼多種的蜘蛛絲呢?
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To answer回答 that, you have to look a lot closer接近
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172000
2000
要回答這個問題,你們必須更仔細地觀察
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at the spinneret噴絲板 region地區 of a spider蜘蛛.
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174000
2000
蜘蛛的噴絲頭區域。
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So silk comes out of the spinnerets噴絲頭, and for
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176000
2000
蜘蛛從噴絲頭吐出絲,
03:13
those of us spider蜘蛛 silk biologists生物學家, this is what
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178000
2000
而對我們這些研究蜘蛛絲的生物學家來說,
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we call the "business商業 end結束" of the spider蜘蛛. (Laughter笑聲)
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180000
2000
我們稱這個地方為蜘蛛「辦公」的地方。(笑聲)
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We spend long days ...
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182000
2000
我們花很多時間
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Hey! Don't laugh. That's my life.
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184000
2000
嘿!不要笑!這是我的人生。
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(Laughter笑聲)
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186000
2000
(笑聲)
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We spend long days and nights
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188000
2000
我們日以繼夜地盯著
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staring凝視 at this part部分 of the spider蜘蛛.
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190000
3000
蜘蛛的這個部份。
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And this is what we see.
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193000
2000
而這是我們所看到的。
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You can see multiple fibers纖維
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195000
2000
你們可以看到數條絲纖維
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coming未來 out of the spinnerets噴絲頭, because
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197000
3000
從噴絲頭出來,
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each spinneret噴絲板 has many許多 spigots on it.
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200000
3000
因為每一個噴頭都有許多噴嘴。
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Each of these silk fibers纖維 exits退出 from the spigot塞子,
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203000
3000
每一條絲纖維從其中的一個噴嘴噴出,
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and if you were to trace跟踪 the fiber纖維 back
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206000
2000
而如果你順著纖維回溯到蜘蛛體內,
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into the spider蜘蛛, what you would find is that
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208000
3000
你會發現
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each spigot塞子 connects所連接 to its own擁有 individual個人
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211000
2000
每一個噴頭都連接著一個獨有的絲腺。
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silk gland. A silk gland kind of looks容貌 like a sacSAC
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213000
3000
絲腺看起來像是一個
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with a lot of silk proteins蛋白質 stuck卡住 inside.
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216000
3000
含有很多絲蛋白的囊袋。
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So if you ever have the opportunity機會 to dissect解剖
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219000
2000
所以如果你有機會解剖
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an orb-web-weaving球型網織 spider蜘蛛,
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221000
2000
圓網蜘蛛的話,
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and I hope希望 you do,
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223000
2000
我希望你真的有這樣的機會,
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what you would find is a bounty賞金
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225000
3000
你會看到很多
04:03
of beautiful美麗, translucent半透明 silk glands腺體.
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228000
3000
很漂亮的透明絲腺。
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Inside each spider蜘蛛, there are hundreds數以百計
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231000
2000
每一隻蜘蛛有幾百
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of silk glands腺體, sometimes有時 thousands數千.
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233000
3000
到幾千個絲腺。
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These can be grouped分組 into seven categories類別.
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236000
3000
這些腺體可以被分為七大類,
04:14
They differ不同 by size尺寸, shape形狀,
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239000
2000
它們在大小、形狀、
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and sometimes有時 even color顏色.
100
241000
2000
有時甚至顏色上皆不同。
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In an orb-web-weaving球型網織 spider蜘蛛,
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243000
2000
一隻圓網蜘蛛身上
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you can find seven types類型 of silk glands腺體,
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245000
2000
可以找到七種不同的絲腺,
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and what I have depicted描繪 here in this picture圖片,
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247000
2000
而我在這張圖片中所標示出來的,
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let's start開始 at the one o'clock position位置,
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249000
3000
從一點鐘方向開始,
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there's tubuliformtubuliform silk glands腺體, which哪一個 are used
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252000
2000
這是管狀絲腺,是用來
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to make the outer silk of an egg sacSAC.
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254000
2000
製造蛋囊外面的絲。
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There's the aggregate骨料 and flagelliform鞭形 silk
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256000
2000
這裡有聚結和條狀絲腺,
04:33
glands腺體 which哪一個 combine結合 to make the sticky
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258000
2000
這兩種絲腺合起來可以製造
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capture捕獲 spiral螺旋 of an orbORB web捲筒紙.
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260000
3000
圓網中的黏性捕捉螺旋絲。
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Pyriform梨形 silk glands腺體 make the attachment附件
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263000
2000
梨狀絲腺製造接著膠水,
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cement水泥 -- that's the silk that's used to adhere附著
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265000
3000
就是用來將絲線和基質
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silk lines to a substrate基質.
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268000
3000
黏接在一起的絲。
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There's also aciniformaciniform silk,
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271000
2000
還有用來包覆獵物的
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which哪一個 is used to wrap prey獵物.
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273000
2000
葡萄絲。
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Minor次要 ampullate壺腹 silk is used in web捲筒紙 construction施工.
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275000
2000
小型壺狀絲被用來製造蜘蛛網。
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And the most studied研究 silk line
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2000
而最常被研究的蜘蛛絲
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of them all: major重大的 ampullate壺腹 silk.
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279000
2000
就是大型壺狀絲。
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This is the silk that's used to make the frame
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281000
2000
這是被用來製造圓型蜘蛛網
04:58
and radii半徑 of an orbORB web捲筒紙, and also
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283000
3000
的外框和半徑的絲,也被用作
05:01
the safety安全 trailing尾隨 dragline吊鬥鏟.
120
286000
3000
安全防護索使用。
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But what, exactly究竟, is spider蜘蛛 silk?
121
289000
3000
但蜘蛛絲到底是什麼呢?
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Spider蜘蛛 silk is almost幾乎 entirely完全 protein蛋白.
122
293000
3000
蜘蛛絲幾乎全由蛋白質所組成。
05:11
Nearly幾乎 all of these proteins蛋白質 can be explained解釋
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296000
2000
大部分的這些蛋白
05:13
by a single gene基因 family家庭,
124
298000
3000
可以經由一個基因家族來解釋,
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so this means手段 that the diversity多樣 of silk types類型
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301000
2000
也就是說我們看到的這麼多種蜘蛛絲
05:18
we see today今天 is encoded編碼 by one gene基因 family家庭,
126
303000
5000
都是由一個基因家族所編碼出來的。
05:23
so presumably想必 the original原版的 spider蜘蛛 ancestor祖先
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308000
3000
所以很有可能蜘蛛的祖宗
05:26
made製作 one kind of silk,
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311000
2000
只製造一種絲,
05:28
and over the last 380 million百萬 years年份,
129
313000
3000
而且在這三億八千萬年之中,
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that one silk gene基因 has duplicated複製
130
316000
3000
那個絲基因複製、
05:34
and then diverged分歧, specialized專門,
131
319000
3000
分歧、特化
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over and over and over again, to get
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322000
3000
一次又一次,
05:40
the large variety品種 of flavors口味 of spider蜘蛛 silks
133
325000
2000
直到現在有這麼多種
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that we have today今天.
134
327000
3000
不同的蜘蛛絲。
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There are several一些 features特徵 that all these silks
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330000
2000
這麼多種不同的蜘蛛絲有數個共通點,
05:47
have in common共同. They all have a common共同
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332000
2000
它們都有非常相似的設計,
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design設計, such這樣 as they're all very long --
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334000
2000
像是它們都非常長,
05:51
they're sort分類 of outlandishlyoutlandishly long
138
336000
3000
也就是說它們比一般的蛋白質
05:54
compared相比 to other proteins蛋白質.
139
339000
2000
長很多很多。
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They're very repetitive重複, and they're very rich豐富
140
341000
3000
它們重複性很高,且它們含有大量的
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in the amino氨基 acids glycine甘氨酸 and alanine丙氨酸.
141
344000
3000
甘胺酸和丙胺酸。
06:02
To give you an idea理念 of what
142
347000
2000
為了讓你們有個概念,
06:04
a spider蜘蛛 silk protein蛋白 looks容貌 like,
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349000
2000
蜘蛛絲蛋白看起來大概像是這樣,
06:06
this is a dragline吊鬥鏟 silk protein蛋白,
144
351000
2000
這是牽引絲蛋白,
06:08
it's just a portion一部分 of it,
145
353000
2000
這只是黑寡婦蜘蛛
06:10
from the black黑色 widow寡婦 spider蜘蛛.
146
355000
2000
的蜘蛛絲蛋白的一部份。
06:12
This is the kind of sequence序列 that I love
147
357000
2000
這是我最愛的一種序列,
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looking at day and night. (Laughter笑聲)
148
359000
3000
我可以日以繼夜地看他。(笑聲)
06:17
So what you're seeing眼看 here is the one letter
149
362000
2000
所以你們現在看到的這些是
06:19
abbreviation縮寫 for amino氨基 acids, and I've colored有色
150
364000
2000
胺基酸的單字母縮寫,
06:21
in the glycines甘氨酸 with green綠色,
151
366000
2000
我把甘胺酸標記成綠色,
06:23
and the alanines丙氨酸 in red, and so
152
368000
2000
然後把丙胺酸標記成紅色。
06:25
you can see it's just a lot of G'sG公司 and A's.
153
370000
3000
所以你可以看到有很多的 G 和 A。
06:28
You can also see that there's a lot of short
154
373000
3000
你也可以看到有許多的短序列
06:31
sequence序列 motifs主題 that repeat重複 over and over
155
376000
3000
一再地重複又重複,
06:34
and over again, so for example there's a lot of
156
379000
2000
舉例來說這邊有很多我們叫作
06:36
what we call polyalanines聚丙氨酸, or iterated迭代 A's,
157
381000
3000
聚合丙胺酸的片段,也就是很多個 A。
06:39
AAAAAAAAAA. There's GGQGGQ. There's GGYGGY.
158
384000
4000
這是 GGQ,這是 GGY。
06:43
You can think of these short motifs主題
159
388000
2000
你們可以把這些
06:45
that repeat重複 over and over again as words,
160
390000
3000
不斷重複的短序列當成文字,
06:48
and these words occur發生 in sentences句子.
161
393000
3000
而這些文字在句子裡面出現。
06:51
So for example this would be one sentence句子,
162
396000
3000
舉例來說這是一個句子,
06:54
and you would get this sort分類 of green綠色 region地區
163
399000
2000
然後你有這些綠色的部份
06:56
and the red polyalanine聚丙, that repeats重複
164
401000
2000
和這些紅色的聚丙胺酸會一直
06:58
over and over and over again,
165
403000
2000
不斷地不斷地重複,
07:00
and you can have that hundreds數以百計 and
166
405000
2000
而且你可以在單一個絲分子中
07:02
hundreds數以百計 and hundreds數以百計 of times within
167
407000
2000
找到好幾百次
07:04
an individual個人 silk molecule分子.
168
409000
2000
的重複。
07:06
Silks made製作 by the same相同 spider蜘蛛 can have
169
411000
2000
由同一隻蜘蛛所製造的絲可以有
07:08
dramatically顯著 different不同 repeat重複 sequences序列.
170
413000
3000
非常不同的重複序列。
07:11
At the top最佳 of the screen屏幕, you're seeing眼看
171
416000
3000
在螢幕上方,你可以看到
07:14
the repeat重複 unit單元 from the dragline吊鬥鏟 silk
172
419000
3000
金蛛牽引絲的
07:17
of a garden花園 argiope金蛛 spider蜘蛛.
173
422000
3000
重複單元,
07:20
It's short. And on the bottom底部,
174
425000
2000
它很短。在下面,
07:22
this is the repeat重複 sequence序列 for the
175
427000
2000
這是同一種蜘蛛
07:24
egg case案件, or tubuliformtubuliform silk protein蛋白,
176
429000
2000
蛋殻的重複序列,
07:26
for the exact精確 same相同 spider蜘蛛. And you can see
177
431000
3000
也就是管狀絲蛋白。你們可以看出
07:29
how dramatically顯著 different不同
178
434000
2000
這兩種絲蛋白
07:31
these silk proteins蛋白質 are -- so this is
179
436000
3000
有多麼不同 — 這就是
07:34
sort分類 of the beauty美女 of the diversification多樣化
180
439000
2000
蜘蛛絲基因家族分歧
07:36
of the spider蜘蛛 silk gene基因 family家庭.
181
441000
2000
漂亮的地方。
07:38
You can see that the repeat重複 units單位 differ不同
182
443000
2000
你可以看到這些重複序列的
07:40
in length長度. They also differ不同 in sequence序列.
183
445000
2000
長短不同,它們的序列也不同。
07:42
So I've colored有色 in the glycines甘氨酸 again
184
447000
2000
所以這裡我再把甘胺酸標記成綠色、
07:44
in green綠色, alanine丙氨酸 in red, and the serines絲氨酸,
185
449000
3000
丙胺酸為紅色、絲氨酸
07:47
the letter S, in purple紫色. And you can see
186
452000
3000
縮寫為 S,標記成紫色。你可以看到
07:50
that the top最佳 repeat重複 unit單元 can be explained解釋
187
455000
2000
這些在上方的重複序列
07:52
almost幾乎 entirely完全 by green綠色 and red,
188
457000
3000
幾乎全是綠色和紅色,
07:55
and the bottom底部 repeat重複 unit單元 has
189
460000
2000
在這下面的重複序列
07:57
a substantial大量的 amount of purple紫色.
190
462000
2000
有很多紫色。
07:59
What silk biologists生物學家 do is we try to relate涉及
191
464000
3000
絲生物學家想將
08:02
these sequences序列, these amino氨基 acid
192
467000
2000
這些胺基酸的序列
08:04
sequences序列, to the mechanical機械 properties性能
193
469000
2000
與絲纖維的機械性質
08:06
of the silk fibers纖維.
194
471000
2000
連結起來。
08:08
Now, it's really convenient方便 that spiders蜘蛛 use their silk
195
473000
3000
蜘蛛僅在體外使用它們的蜘蛛絲
08:11
completely全然 outside their body身體.
196
476000
2000
對我們來說是非常便利的。
08:13
This makes品牌 testing測試 spider蜘蛛 silk really, really
197
478000
2000
這讓在實驗室中研究蜘蛛絲
08:15
easy簡單 to do in the laboratory實驗室, because
198
480000
2000
非常、非常容易,
08:17
we're actually其實, you know, testing測試 it in air空氣
199
482000
3000
因為我們實際上是在空氣中測試它,
08:20
that's exactly究竟 the environment環境 that
200
485000
2000
而這也正是
08:22
spiders蜘蛛 are using運用 their silk proteins蛋白質.
201
487000
2000
蜘蛛使用牠們絲蛋白的環境。
08:24
So this makes品牌 quantifying量化 silk properties性能 by
202
489000
2000
所以這些特性
08:26
methods方法 such這樣 as tensile拉伸 testing測試, which哪一個 is
203
491000
2000
讓我們可以做拉伸測試,
08:28
basically基本上, you know, tugging揪著 on one end結束
204
493000
2000
也就是
08:30
of the fiber纖維, very amenable適合.
205
495000
3000
在纖維兩側拉扯。
08:33
Here are stress-strain應力 - 應變 curves曲線
206
498000
3000
這是從同一隻蜘蛛的
08:36
generated產生 by tensile拉伸 testing測試
207
501000
2000
五種蜘蛛絲的
08:38
five fibers纖維 made製作 by the same相同 spider蜘蛛.
208
503000
3000
拉伸測試所得到的受力圖。
08:41
So what you can see here is that
209
506000
3000
你們可以看到
08:44
the five fibers纖維 have different不同 behaviors行為.
210
509000
3000
這五種絲各有不同的表現。
08:47
Specifically特別, if you look on the vertical垂直 axis,
211
512000
2000
如果你看 y 軸,這是拉力。
08:49
that's stress強調. If you look at the maximum最大值
212
514000
3000
如果你看每一種絲
08:52
stress強調 value for each of these fibers纖維,
213
517000
2000
可以承受的拉力,
08:54
you can see that there's a lot of variation變異,
214
519000
3000
你會看到有很大的變異。
08:57
and in fact事實 dragline吊鬥鏟, or major重大的 ampullate壺腹 silk,
215
522000
3000
牽引絲,也就是大型壺狀絲,
09:00
is the strongest最強 of these fibers纖維.
216
525000
2000
是最強壯的絲。
09:02
We think that's because the dragline吊鬥鏟 silk,
217
527000
3000
我們認為這是因為牽引絲
09:05
which哪一個 is used to make the frame and radii半徑
218
530000
3000
是用來製作蜘蛛網外框和半徑的材料,
09:08
for a web捲筒紙, needs需求 to be very strong強大.
219
533000
2000
它需要非常強壯。
09:10
On the other hand, if you were to look at
220
535000
2000
從另一個角度看,如果你觀察應力,
09:12
strain應變 -- this is how much a fiber纖維 can be
221
537000
2000
這是纖維可以延伸的程度,
09:14
extended擴展 -- if you look at the maximum最大值 value
222
539000
2000
如果你看在這邊這個最大值,
09:16
here, again, there's a lot of variation變異
223
541000
3000
又一次地,也是有很大的變異,
09:19
and the clear明確 winner優勝者 is flagelliform鞭形,
224
544000
2000
很明顯的這次是條狀絲
09:21
or the capture捕獲 spiral螺旋 filament燈絲.
225
546000
2000
或稱捕捉螺旋絲大勝。
09:23
In fact事實, this flagelliform鞭形 fiber纖維 can
226
548000
2000
事實上,條狀纖維
09:25
actually其實 stretch伸展 over twice兩次 its original原版的 length長度.
227
550000
4000
可以延伸到超過原來長度的兩倍。
09:29
So silk fibers纖維 vary變化 in their strength強度
228
554000
3000
也就是說絲纖維的強度
09:32
and also their extensibility可擴展性.
229
557000
2000
和延展性都不相同。
09:34
In the case案件 of the capture捕獲 spiral螺旋,
230
559000
2000
以捕捉螺旋絲來說,
09:36
it needs需求 to be so stretchy有彈性 to absorb吸收
231
561000
2000
它需要有很好的延展性
09:38
the impact碰撞 of flying飛行 prey獵物.
232
563000
2000
來吸收獵物落網的衝力。
09:40
If it wasn't able能夠 to stretch伸展 so much, then
233
565000
2000
如果它們沒有這麼好的延展性,
09:42
basically基本上 when an insect昆蟲 hit擊中 the web捲筒紙,
234
567000
2000
當有昆蟲落入蜘蛛網的時候,
09:44
it would just trampoline蹦床 right off of it.
235
569000
2000
昆蟲只會直接從蜘蛛網上彈下來。
09:46
So if the web捲筒紙 was made製作 entirely完全 out of
236
571000
2000
所以如果整張網都是由牽引絲所組成,
09:48
dragline吊鬥鏟 silk, an insect昆蟲 is very likely容易 to just
237
573000
3000
那麼昆蟲只會直接
09:51
bounce彈跳 right off. But by having really, really
238
576000
2000
彈下來。但因為有這樣
09:53
stretchy有彈性 capture捕獲 spiral螺旋 silk, the web捲筒紙 is actually其實
239
578000
2000
延展性非常好的捕捉螺旋絲,整張網
09:55
able能夠 to absorb吸收 the impact碰撞
240
580000
2000
可以吸收獵物的衝力
09:57
of that intercepted截獲 prey獵物.
241
582000
3000
並捕捉獵物。
10:00
There's quite相當 a bit of variation變異 within
242
585000
2000
一隻蜘蛛可以製造的不同絲纖維間
10:02
the fibers纖維 that an individual個人 spider蜘蛛 can make.
243
587000
3000
有很多差異。
10:05
We call that the tool工具 kit套件 of a spider蜘蛛.
244
590000
3000
我們稱之為蜘蛛的工具箱。
10:08
That's what the spider蜘蛛 has
245
593000
2000
那是蜘蛛用來與環境
10:10
to interact相互作用 with their environment環境.
246
595000
2000
互動的工具。
10:12
But how about variation變異 among其中 spider蜘蛛
247
597000
2000
但是不同種類蜘蛛間的差異呢?
10:14
species種類, so looking at one type類型 of silk
248
599000
2000
如果我們觀察一種絲,
10:16
and looking at different不同 species種類 of spiders蜘蛛?
249
601000
3000
然後比較不同種類蜘蛛間這種絲的異同?
10:19
This is an area that's largely大部分 unexplored未開發
250
604000
2000
這是一個尚未被深入研究的領域,
10:21
but here's這裡的 a little bit of data數據 I can show顯示 you.
251
606000
4000
但我可以給你們看一些數據。
10:25
This is the comparison對照 of the toughness韌性
252
610000
2000
這是 21 種蜘蛛間
10:27
of the dragline吊鬥鏟 spilkspilk spun
253
612000
2000
牽引絲韌度
10:29
by 21 species種類 of spiders蜘蛛.
254
614000
2000
的比較。
10:31
Some of them are orb-weavingORB織 spiders蜘蛛 and
255
616000
2000
這裡有些是圓網蜘蛛
10:33
some of them are non-orb-weaving非球體織布 spiders蜘蛛.
256
618000
3000
有些是非圓網蜘蛛。
10:36
It's been hypothesized假設 that
257
621000
2000
一般推測這些圓網蜘蛛,
10:38
orb-weavingORB織 spiders蜘蛛, like this argiope金蛛 here,
258
623000
3000
像是這隻金蛛,
10:41
should have the toughest最艱難的 dragline吊鬥鏟 silks
259
626000
2000
應該有最強韌的牽引絲,
10:43
because they must必須 intercept截距 flying飛行 prey獵物.
260
628000
3000
因為他們需要攔截飛行獵物。
10:46
What you see here on this toughness韌性 graph圖形
261
631000
3000
在這張韌性表中
10:49
is the higher更高 the black黑色 dot is on the graph圖形,
262
634000
2000
黑點越高
10:51
the higher更高 the toughness韌性.
263
636000
2000
表示韌性越高。
10:53
The 21 species種類 are indicated指示 here by this
264
638000
3000
這 21 種蜘蛛的關係在這裡
10:56
phylogeny發展史, this evolutionary發展的 tree, that shows節目
265
641000
3000
用演化樹來表示出
10:59
their genetic遺傳 relationships關係, and I've colored有色
266
644000
2000
它們之間的基因關係,
11:01
in yellow黃色 the orb-web-weaving球型網織 spiders蜘蛛.
267
646000
3000
圓網蜘蛛在這邊被我以黃色標記。
11:04
If you look right here at the two red arrows箭頭,
268
649000
3000
如果你看這邊這兩個紅色箭頭,
11:07
they point to the toughness韌性 values
269
652000
3000
它們指向
11:10
for the draglines吊鬥鏟 of nephila clavipesclavipes and
270
655000
2000
金蛛 (nephila clavipes) 和
11:12
araneus diadematus.
271
657000
2000
歐洲圓蛛 (araneus diadematus) 的牽引絲強度。
11:14
These are the two species種類 of spiders蜘蛛
272
659000
2000
絕大多數的金錢和時間
11:16
for which哪一個 the vast廣大 majority多數 of time and money
273
661000
3000
都被投注在人工合成複製
11:19
on synthetic合成的 spider蜘蛛 silk research研究 has been
274
664000
3000
這兩種蜘蛛的牽引絲蛋白
11:22
to replicate複製 their dragline吊鬥鏟 silk proteins蛋白質.
275
667000
3000
的研究上。
11:25
Yet然而, their draglines吊鬥鏟 are not the toughest最艱難的.
276
670000
4000
但牠們的牽引絲卻不是韌性最高的。
11:29
In fact事實, the toughest最艱難的 dragline吊鬥鏟 in this survey調查
277
674000
3000
事實上,在這份調查中韌性最高的牽引絲
11:32
is this one right here in this white白色 region地區,
278
677000
3000
是這個在白色區域中的這隻,
11:35
a non orb-web-weaving球型網織 spider蜘蛛.
279
680000
2000
是一種非圓網蜘蛛。
11:37
This is the dragline吊鬥鏟 spun by scytodesscytodes,
280
682000
2000
這是花皮蛛 (scytodes)
11:39
the spitting隨地吐痰 spider蜘蛛.
281
684000
2000
所製造的牽引絲。
11:41
ScytodesScytodes doesn't use a web捲筒紙 at all
282
686000
3000
花皮蛛完全不用網來捕捉獵物。
11:44
to catch抓住 prey獵物. Instead代替, scytodesscytodes
283
689000
2000
相反地,它們在獵物附近徘徊,
11:46
sort分類 of lurks潛伏著 around and waits等待 for prey獵物
284
691000
3000
並等待獵物靠近,
11:49
to get close to it, and then immobilizes固定不變 prey獵物
285
694000
3000
然後將絲狀毒素吐在獵物身上
11:52
by spraying a silk-like絹絲狀 venom毒液 onto that insect昆蟲.
286
697000
4000
使獵物動彈不得。
11:56
Think of hunting狩獵 with silly愚蠢 string.
287
701000
3000
就像是用繩索捕捉獵物一樣,
11:59
That's how scytodesscytodes forages很長時間.
288
704000
3000
花皮蛛就是這樣捕獵的。
12:02
We don't really know why scytodesscytodes
289
707000
2000
我們不是很瞭解為什麼
12:04
needs需求 such這樣 a tough強硬 dragline吊鬥鏟,
290
709000
3000
花皮蛛需要如此強韌的牽引絲,
12:07
but it's unexpected意外 results結果 like this that make
291
712000
3000
但就是這樣出乎意料的結果
12:10
bio-prospecting生物勘探 so exciting扣人心弦 and worthwhile合算.
292
715000
4000
讓生物研究如此有趣並有意義。
12:14
It frees的FreeS us from the constraints限制
293
719000
2000
這讓我們不會被
12:16
of our imagination想像力.
294
721000
2000
成見所囿。
12:18
Now I'm going to mark標記 on
295
723000
2000
現在我想要談談
12:20
the toughness韌性 values for nylon尼龍 fiber纖維,
296
725000
3000
尼龍纖維、
12:23
bombyx家蠶 -- or domesticated silkworm silk --
297
728000
3000
家蠶、羊毛、
12:26
wool羊毛, Kevlar芳綸, and carbon fibers纖維.
298
731000
3000
克維拉和碳纖維的韌性。
12:29
And what you can see is that nearly幾乎
299
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2000
你們可以看到的是
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all the spider蜘蛛 draglines吊鬥鏟 surpass超過 them.
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幾乎所有蜘蛛牽引絲的韌性都優於這些材質。
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It's the combination組合 of strength強度, extensibility可擴展性
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這樣的強度、延展性
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and toughness韌性 that makes品牌 spider蜘蛛 silk so
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與韌性的組合使得蜘蛛絲如此特別,
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special特別, and that has attracted吸引 the attention注意
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這也是為什麼很多仿生學家
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of biomimeticistsbiomimeticists, so people that turn
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想要研究蜘蛛絲,也就是人們
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to nature性質 to try to find new solutions解決方案.
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向大自然找尋解答。
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And the strength強度, extensibility可擴展性 and toughness韌性
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蜘蛛絲這樣的強度、延展力和韌性
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of spider蜘蛛 silks combined結合 with the fact事實 that
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再加上不會
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silks do not elicit引出 an immune免疫的 response響應,
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引發任何免疫反應,
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have attracted吸引 a lot of interest利益 in the use
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讓蜘蛛絲可以有很多
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of spider蜘蛛 silks in biomedical生物醫藥 applications應用,
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生物醫學上的用途,
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for example, as a component零件 of
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舉例來說:可以用來
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artificial人造 tendons, for serving服務 as
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製造人工韌帶、
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guides導遊 to regrow重新長出 nerves神經, and for
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引導神經再生、或是
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scaffolds支架 for tissue組織 growth發展.
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做為組織生長的鷹架。
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Spider蜘蛛 silks also have a lot of potential潛在
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蜘蛛絲的防彈特性,
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for their anti-ballistic反導 capabilities功能.
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也非常有應用潛力。
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Silks could be incorporated合併 into body身體
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蜘蛛絲可以被置入人體、
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and equipment設備 armor盔甲 that would be more
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或裝備護具來製造
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lightweight輕量級 and flexible靈活
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比任何既有材質更輕更軟
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than any armor盔甲 available可得到 today今天.
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的安全防具。
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In addition加成 to these biomimetic仿生
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除了蜘蛛絲的
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applications應用 of spider蜘蛛 silks,
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仿生用途外,
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personally親自, I find studying研究 spider蜘蛛 silks
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我個人認為研究蜘蛛絲
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just fascinating迷人 in and of itself本身.
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非常有趣。
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I love when I'm in the laboratory實驗室,
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我最喜歡我在實驗室的時候,
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a new spider蜘蛛 silk sequence序列 comes in.
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一個新的蜘蛛絲序列進來。
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That's just the best最好. (Laughter笑聲)
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真的超棒的(笑聲)
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It's like the spiders蜘蛛 are sharing分享
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這有點像是蜘蛛在跟我分享
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an ancient secret秘密 with me, and that's why
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一個古早的祕密,這也是為什麼
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I'm going to spend the rest休息 of my life
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我接下來的人生
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studying研究 spider蜘蛛 silk.
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都會繼續研究蜘蛛絲。
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The next下一個 time you see a spider蜘蛛 web捲筒紙,
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下次你看到一張蜘蛛網,
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please, pause暫停 and look a little closer接近.
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拜託停下來更仔細地看看。
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You'll你會 be seeing眼看 one of the most
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你會看到我們人類所知
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high-performance高性能 materials物料 known已知 to man.
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最高性能的材料之一。
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To borrow from the writings文章
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借用一隻名叫
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of a spider蜘蛛 named命名 Charlotte夏洛特,
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夏綠蒂的蜘蛛所說的話:
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silk is terrific了不起.
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絲真是太棒了!
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Thank you. (Applause掌聲)
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謝謝。(掌聲)
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(Applause掌聲)
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(掌聲)
Translated by Joan Liu
Reviewed by Bill Hsiung

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ABOUT THE SPEAKER
Cheryl Hayashi - Spider silk scientist
Cheryl Hayashi studies the delicate but terrifically strong silk threads that make up a spider's web, finding startling applications for human use.

Why you should listen

Biologist Cheryl Hayashi is fascinated with spiders and their silks, and for good reason. Made of a mix of proteins, spider silks come in thousands of variations; there are over 40,000 species of spiders, with many spiders capable of producing half a dozen types. Some silks have the tensile strength of steel -- and often are much tougher -- while remaining light as air and extremely supple. And spiders use their silk in diverse ways: to make their homes and trap their food, to travel, to court and to protect their eggs.
 
In her lab at UC Riverside, Hayashi explores spider silk’s genetic makeup, evolution and unique biomechanics (winning a MacArthur “genius" grant for it in 2007). Her work blurs the boundary between biology and materials science, looking for the molecular basis of this wondrous material and exploring how humans might learn from it. Hayashi's work may inspire new biomimetic materials for a huge variety of uses, from biodegradable fishing lines and sutures to superstrong ropes and armor cloth.

More profile about the speaker
Cheryl Hayashi | Speaker | TED.com