蜘蛛的锦囊妙丝——谈蜘蛛丝的科学应用

◆宦茜玺

(陕西省西安中学)

蜘蛛丝看起来细弱无比，又怎么会像科幻电影中拥有那么强大的力量呢？实际上，蜘蛛丝是我们已知的最硬材料之一。它是蜘蛛经由其丝腺体分泌的一种生物蛋白弹性体纤维，科学研究表明，其强度约为钢铁的5倍却远远轻于钢铁，弹性约为芳纶的10倍，热导率是其他有机材料的800倍，拉伸强度甚至可以达到109N/m2，坚韧性更是令其它天然纤维与合成纤维望尘莫及。但是，为什么我们所见到的蜘蛛网却是残损不堪的呢，原因在于一般蜘蛛丝的直径仅为3‰毫米，连普通人头发直径的三十分之一都不到，对于更加强大的外力，蜘蛛丝自然是无法抵抗的。然而，正是这些细弱的丝和网，却是众多小型昆虫的葬身之地。试想，如果按比例将蜘蛛丝放大至铅笔粗细，那么拉住一架飞行中的战斗机也是完全有可能的。

一提到蜘蛛丝，我们的脑海里就会浮现出蜘蛛网的形态，虽然不是所有的蜘蛛都结网，但所有的蜘蛛体内都含有丰富的丝腺体并能分泌出多种蜘蛛丝。一般来说，蜘蛛共有九种丝腺体，不同的丝腺体产生不同特性的丝，并且执行不同的生物学功能。例如，葡萄状腺分泌捕捉丝、卵袋细丝，柱状或管状腺分泌卵袋丝等。许多人以为蜘蛛网是由同一种蜘蛛丝构成的，然而事实并非如此，仅仅编织一个圆形蜘蛛网就需要动用体内多种丝腺体——大壶状腺分泌拖牵丝、框丝，小壶状腺分泌牵引丝、螺旋辅助丝，还有一些由集合腺分泌的粘性物质等，这些丝腺体分泌的蜘蛛丝都是圆形蜘蛛网骨架的必要组成部分。单凭肉眼的观察，我们是无法发现蜘蛛网竟是由多种蜘蛛丝共同编织而成的，这些不同的蜘蛛丝在蜘蛛网中的作用相辅相成，缺一不可。其中，拖牵丝根据功能又可分为三种不同的类型，它们分别对网的固定、网形态的维持以及捕捉猎物起着十分重要的物理作用。以牵引丝为例，它由四根相互缠绕的长丝组成，因此，很多个体丝所组成的固定丝赋予了它优异的撕裂强度，这也保证了蜘蛛网的良好弹性。除了蜘蛛丝本身的结构之外，外部环境对丝的弹性也起着至关重要的作用。自然条件下，蜘蛛丝外通常会粘连着等距排列的小液滴，这些小液滴由80%的水分以及多种吸湿性的混合物组成，是丝纤维外的水膜在自然条件适宜的情况下所形成的，可利用其表面的张力为丝提供额外的弹力。

蜘蛛丝的主要成分是蛋白质，由近20种氨基酸所构成，和人体的氨基酸数量十分相近，这表明了蜘蛛丝种类的多样性，同时它也具有蛋白质的性质，如热变性。蜘蛛丝还具有双层的物理结构，即微原纤组成的内核与皮层原纤组成的外皮排列成两个同心圆柱体。与蚕丝的两相纳米结构不同，蜘蛛丝是一种三相结构，存在无定形区、结晶区和点阵晶区，这种混合结晶和基质结构也决定了蜘蛛丝的高强度。在通常情况下，纤维的拉伸断裂是表面裂口向内继续剪切的结果，但蜘蛛丝基质中的结晶会显著抵抗这种断裂力，从而使应力转向并减弱，最终可以使蜘蛛丝的长度达到原来的2～4倍却不断裂。

我们知道，蜘蛛是地球上最古老的生物之一，因此蜘蛛丝也随之进化了亿万年之久，人类对蜘蛛丝的利用更是随着科技的进步而越来越富有创造性。从古希腊的士兵用蜘蛛卵囊包扎伤口，新几内亚渔民利用蜘蛛丝编织渔网，直到现在，人们借助更强大的工具发现了蜘蛛丝的高纤维强度，轻质量、高延展性，高吸水性和生物降解性等优良的性能，使得它在各个领域如：航空航天方面(人造卫星的结构材料和复合材料，宇航服)、军事方面(坦克、装甲、飞机，防弹衣和降落伞等)、工业方面(高强度材料，车轮外胎等)、建筑方面(桥梁、高层建筑等的结构材料和复合材料)、医学方面(人造组织或器官，可降解手术缝合线等生理组织和生物材料)、纺织方面(服饰、围巾等)都发挥着巨大的作用，尤其是在医学领域迅速发展的今天，科学研究者们从生物材料中深受启发，先后意识到了蜘蛛丝的重要生理功能。最新成果表明，科研人员从蜘蛛丝中提取丝素蛋白制作致密的聚合物材料以期用来修复断裂的承重骨并且取得了初步成效，而蜘蛛丝纤维也作为理想材料被用于运送药物、制造人造皮肤以及修复神经损伤等一系列课题的研究当中。

相信在不久的将来，随着人造蜘蛛丝性能的不断提升和对蜘蛛丝相关蛋白的深入研究，蜘蛛丝将会有更广阔的应用前景，在更多领域展现出独特的优势，为科研工作者提供创新点和新思路，为人类的健康和社会的发展做出一定的贡献。