Pająki to fascynujące, drapieżne zwierzęta, które mają szczególną zdolność przystosowywania się do zasiedlanego środowiska. Żyjąc na terenach zmienionych działalnością człowieka, narażone są m.in. na działanie metali ciężkich, które dostają się do ich organizmu głównie drogą pokarmową. Wysokie stężenie toksycznych jonów może niekorzystnie wpływać na ich procesy metaboliczne oraz jakość i ilość tworzonych nici pajęczych. Okazuje się jednak, że drapieżniki te świetnie radzą sobie z tego typu zanieczyszczeniami. Badania reakcji metabolicznych pająków na stres spowodowany życiem w środowisku skażonym metalami ciężkimi prowadzi dr hab. Grażyna Wilczek z Katedry Fizjologii Zwierząt i Ekotoksykologii.

Dr hab. Grażyna Wilczek z Katedry Fizjologii Zwierząt i Ekotoksykologii UŚ

Detoksykacja

Na Wydziale Biologii i Ochrony Środowiska od wielu lat realizowane są badania dotyczące możliwości adaptacyjnych pająków jako obligatoryjnych drapieżników do warunków środowiska zanieczyszczonego metalami ciężkimi, takimi jak kadm, ołów czy miedź.

– Do tej pory poznaliśmy główne mechanizmy detoksykacji metali u tych bezkręgowców. Dzięki temu wiemy, że pająki mogą skutecznie neutralizować toksyczne pierwiastki dostające się do organizmu wraz z pokarmem – mówi dr hab. Grażyna Wilczek.

Jak wyjaśnia naukowiec, jednym ze sposobów radzenia sobie z nadmiarem metali jest ich deponowanie w formie nieaktywnych, mineralnych ziarnistości, głównie w komórkach gruczołu jelita środkowego. Czas magazynowania oraz sposób detoksykacji metali u pająków uzależniony jest od rodzaju pierwiastka, a także od gatunku oraz płci osobników.

– W związku z tym, że drapieżniki te cechuje gatunkowo zróżnicowana wrażliwość na zanieczyszczenia, obserwujemy zmiany składu gatunkowego społeczności pająków na terenach silnie zanieczyszczonych działalnością przemysłu. Oznacza to, że gatunki bardziej wrażliwe są zastępowane tymi, które lepiej funkcjonują w warunkach stresu środowiskowego wynikającego z obecności metali ciężkich – mówi ekotoksykolog. – Co więcej, z naszych badań wynika, że procesy detoksykacyjne są zdecydowanie bardziej skuteczne u samic, prawdopodobnie ze względu na konieczność zabezpieczenia materiału genetycznego i możliwości reprodukcyjnych.

Jakość nici pajęczej

Obecnie zespół, w którym pracuje dr hab. Grażyna Wilczek, realizuje badania dotyczące wpływu metali ciężkich na jakość produkowanej przez pająki przędzy służącej do konstruowania sieci łowieckich. Naukowcy zastanawiają się, czy zanieczyszczenia mogą zmieniać właściwości biologiczne, chemiczne oraz fizyczne biomateriału, jakim jest produkt gruczołów przędnych.

– Bierzemy pod uwagę dwa rodzaje oddziaływań. Po pierwsze, interesuje nas, czy jony metali ciężkich docierające do organizmu pająka wraz z pokarmem mogą wbudowywać się w strukturę włókien jedwabiu i w ten sposób modyfikować jego właściwości. Po drugie, czy i w jaki sposób mogą wpływać na pracę gruczołów przędnych i przez to stać się źródłem ewentualnych zmian tego biomateriału – tłumaczy naukowiec.

Z ekotoksykologicznego punktu widzenia sieci pajęcze stanowią niezwykle ciekawy materiał, także ze względu na możliwość jego wykorzystania do monitorowania stanu powietrza poprzez ilościowe i jakościowe analizy składu zanieczyszczeń osadzających się na powierzchni pułapek łownych. Innymi słowy, przędza pajęcza może stać się również skutecznym narzędziem badania jakości powietrza na terenach zanieczyszczonych.

Do badań wybrany został gatunek pająka Steatoda grossa z rodziny omatnikowatych żyjący w wielu częściach świata, także w Polsce, występujący głównie w zabudowaniach, ale także w stosach drewna, pod skałami czy mostami. Tworzy trójwymiarowe, splątane sieci łowne, dzięki którym poluje na owady. Gatunek charakteryzuje całoroczny okres reprodukcyjny, dlatego zarówno osobniki dorosłe, jak i młodociane można spotkać w tym samym czasie, niezależnie od pory roku. Dorosłe samice osiągają długość od 6 do 11 mm, a samce od 4 do 7 mm (bez odnóży). Samice w sprzyjających warunkach mogą żyć nawet 5 lat, podczas gdy samce żyją krócej, od około 1,5 do 2 lat. Co ciekawe, gatunek ten nazywany jest fałszywą czarną wdową, należy bowiem do tej samej rodziny co czarna wdowa – Latrodectus mactans, a ze względu na okrągły, baniasty odwłok przypomina nieco ciało słynnego jadowitego pająka. Na szczęście nie jest on aż tak jadowity, jak inne pająki z rodzaju wdów.

Pająk Steatoda grossa zwany fałszywą czarną wdową

Skomplikowana hodowla

Badania realizowane w Katedrze Fizjologii Zwierząt i Ekotoksykologii prowadzone są zarówno na gatunkach pająków odłowionych bezpośrednio z zanieczyszczonego terenu, jak również na osobnikach hodowanych w uniwersyteckim laboratorium. W ośrodkach badawczych rzadko jednak podejmuje się próby hodowli pająków ze względu na specyfikę biologii tych drapieżników, a zwłaszcza wymogi żywieniowe poszczególnych stadiów rozwojowych.

– Żyjącym w naszej hodowli osobnikom musimy stale dostarczać żywy pokarm. Ogromną trudność sprawia zapewnienie, szczególnie młodym pająkom, optymalnych warunków wilgotnościowych. Poważnym problemem hodowlanym jest także terytorializm i kanibalizm rozpowszechniony już we wczesnych etapach ontogenezy. Wymusza to konieczność separowania poszczególnych osobników do oddzielnych pojemników. W przeciwnym razie nasza hodowla sama by się… zjadła – tłumaczy dr hab. Grażyna Wilczek.

Dodatkowo naukowcy musieli zaopatrzyć pojemniki hodowlane w specjalne rusztowania, na których pająki tkają sieci łowne i które łatwo zebrać do analiz, nie niszcząc ich architektury.

– Mogę dziś stwierdzić, że tworząc zatem tak skomplikowaną infrastrukturę, odnieśliśmy sukces. Chciałabym dodać, że hodowla nie powstałaby, gdyby nie konsekwentna i profesjonalna praca jej opiekunów, głównie mgr Moniki Stalmach – dodaje ekotoksykolog. Dzięki temu naukowcy mogli przeprowadzić badania i uzyskali już pierwsze wyniki analizy wpływu jonów metali ciężkich na produkcję i jakość pajęczej przędzy.

Materiał przyszłości

Jak wyjaśnia dr hab. Grażyna Wilczek, w przypadku sieci produkowanych przez samice S. grossa eksponowane krótkotrwale, przez okres 4 tygodni, na pokarm skażony kadmem, odnotowano zmniejszenie się średnicy włókien pojedynczych nici – występujących zarówno samodzielnie, jak i w kompleksach połączeń podwójnych i wielokrotnych.

– Pająki prawdopodobnie dostrzegają słabszą wytrzymałość produkowanej sieci, rejestrując jej mniejszą skuteczność w łowieniu pokarmu. Potrafią jednak szybko reagować na takie zmiany. Zauważyliśmy bowiem, że te same samice po pewnym czasie zaczynają modyfikować architekturę swojej sieci. Tkając cieńsze nici, częściej jednak tworzą konstrukcje złożone z wątków wielokrotnych przy jednoczesnym zwiększaniu średnicy całego kompleksu. Pozwala to uzyskać sieć o lepszych właściwościach mechanicznych, zapewniając w ten sposób efektywność pułapek łownych – mówi biolog.

Badania pokazały również, że pająki wystawione na działanie kadmu potrafiły inaczej gospodarować swoją energią. Procesy detoksykacyjne uruchamiane w odpowiedzi na zwiększone stężenie metalu w organizmie okazywały się na tyle kosztowne energetycznie, że w wyprodukowanie sieci łownych zwierzęta te inwestowały o około 47 proc. mniej energii niż drapieżniki z grupy kontrolnej.

Obecnie prowadzone są analizy architektury sieci pochodzących od osobników chronicznie, wielopokoleniowo eksponowanych na obecność metali ciężkich w pokarmie. Wyniki badań pozwolą lepiej zrozumieć mechanizmy adaptacyjne tych drapieżników do warunków zanieczyszczonego środowiska, a nawet określić stopień zagrożenia tej grupy systematycznej na terenach zanieczyszczonych.

– Ostatnio podjęliśmy także próbę oceny natywnych nici produktowych przez pająki S. grossa jako bioaktywnej matrycy do zasiedlania komórkowego. Badania tego typu są jednym z elementów wieloskalowej oceny przędzy jedwabnej hodowanego przez nas gatunku i mogą stać się podstawą do szczegółowych badań czynników modyfikujących biologiczne i strukturalne właściwości włókien przędzy pajęczej – mówi dr hab. Grażyna Wilczek.

Tego typu analizy dobrze wpisują się w nurt badań dotyczących optymalizacji procesu wytwarzania biomateriałów opartych na białkach tej przędzy, które mogłyby zostać zastosowane w różnych obszarach medycyny regeneracyjnej. Sama struktura nici pajęczej jest niezwykle interesująca ze względu na unikatowe właściwości mechaniczne. Ocenia się, że jedwab wiodący jest kilkukrotnie wytrzymalszy od stali czy Kevlaru, z którego obecnie produkowane są kamizelki kuloodporne czy części pancerzy lotniskowców. Wyprodukowanie materiału o identycznych właściwościach i strukturze jak przędza pajęcza jest poważnym wyzwaniem, ma on jednak szansę stać się tkaniną przyszłości i znaleźć szerokie zastosowanie zarówno w przemyśle, jak i w medycynie.