蜘蛛的錦囊妙絲
——談蜘蛛絲的科學應用

◆宦茜璽

(陜西省西安中學)

蜘蛛絲看起來細弱無比，又怎么會像科幻電影中擁有那么強大的力量呢？實際上，蜘蛛絲是我們已知的最硬材料之一。它是蜘蛛經由其絲腺體分泌的一種生物蛋白彈性體纖維，科學研究表明，其強度約為鋼鐵的5倍卻遠遠輕于鋼鐵，彈性約為芳綸的10倍，熱導率是其他有機材料的800倍，拉伸強度甚至可以達到109N/m2，堅韌性更是令其它天然纖維與合成纖維望塵莫及。但是，為什么我們所見到的蜘蛛網卻是殘損不堪的呢，原因在于一般蜘蛛絲的直徑僅為3‰毫米，連普通人頭發直徑的三十分之一都不到，對于更加強大的外力，蜘蛛絲自然是無法抵抗的。然而，正是這些細弱的絲和網，卻是眾多小型昆蟲的葬身之地。試想，如果按比例將蜘蛛絲放大至鉛筆粗細，那么拉住一架飛行中的戰斗機也是完全有可能的。

一提到蜘蛛絲，我們的腦海里就會浮現出蜘蛛網的形態，雖然不是所有的蜘蛛都結網，但所有的蜘蛛體內都含有豐富的絲腺體并能分泌出多種蜘蛛絲。一般來說，蜘蛛共有九種絲腺體，不同的絲腺體產生不同特性的絲，并且執行不同的生物學功能。例如，葡萄狀腺分泌捕捉絲、卵袋細絲，柱狀或管狀腺分泌卵袋絲等。許多人以為蜘蛛網是由同一種蜘蛛絲構成的，然而事實并非如此，僅僅編織一個圓形蜘蛛網就需要動用體內多種絲腺體——大壺狀腺分泌拖牽絲、框絲，小壺狀腺分泌牽引絲、螺旋輔助絲，還有一些由集合腺分泌的粘性物質等，這些絲腺體分泌的蜘蛛絲都是圓形蜘蛛網骨架的必要組成部分。單憑肉眼的觀察，我們是無法發現蜘蛛網竟是由多種蜘蛛絲共同編織而成的，這些不同的蜘蛛絲在蜘蛛網中的作用相輔相成，缺一不可。其中，拖牽絲根據功能又可分為三種不同的類型，它們分別對網的固定、網形態的維持以及捕捉獵物起著十分重要的物理作用。以牽引絲為例，它由四根相互纏繞的長絲組成，因此，很多個體絲所組成的固定絲賦予了它優異的撕裂強度，這也保證了蜘蛛網的良好彈性。除了蜘蛛絲本身的結構之外，外部環境對絲的彈性也起著至關重要的作用。自然條件下，蜘蛛絲外通常會粘連著等距排列的小液滴，這些小液滴由80%的水分以及多種吸濕性的混合物組成，是絲纖維外的水膜在自然條件適宜的情況下所形成的，可利用其表面的張力為絲提供額外的彈力。

蜘蛛絲的主要成分是蛋白質，由近20種氨基酸所構成，和人體的氨基酸數量十分相近，這表明了蜘蛛絲種類的多樣性，同時它也具有蛋白質的性質，如熱變性。蜘蛛絲還具有雙層的物理結構，即微原纖組成的內核與皮層原纖組成的外皮排列成兩個同心圓柱體。與蠶絲的兩相納米結構不同，蜘蛛絲是一種三相結構，存在無定形區、結晶區和點陣晶區，這種混合結晶和基質結構也決定了蜘蛛絲的高強度。在通常情況下，纖維的拉伸斷裂是表面裂口向內繼續剪切的結果，但蜘蛛絲基質中的結晶會顯著抵抗這種斷裂力，從而使應力轉向并減弱，最終可以使蜘蛛絲的長度達到原來的2～4倍卻不斷裂。

我們知道，蜘蛛是地球上最古老的生物之一，因此蜘蛛絲也隨之進化了億萬年之久，人類對蜘蛛絲的利用更是隨著科技的進步而越來越富有創造性。從古希臘的士兵用蜘蛛卵囊包扎傷口，新幾內亞漁民利用蜘蛛絲編織漁網，直到現在，人們借助更強大的工具發現了蜘蛛絲的高纖維強度，輕質量、高延展性，高吸水性和生物降解性等優良的性能，使得它在各個領域如：航空航天方面(人造衛星的結構材料和復合材料，宇航服)、軍事方面(坦克、裝甲、飛機，防彈衣和降落傘等)、工業方面(高強度材料，車輪外胎等)、建筑方面(橋梁、高層建筑等的結構材料和復合材料)、醫學方面(人造組織或器官，可降解手術縫合線等生理組織和生物材料)、紡織方面(服飾、圍巾等)都發揮著巨大的作用，尤其是在醫學領域迅速發展的今天，科學研究者們從生物材料中深受啟發，先后意識到了蜘蛛絲的重要生理功能。最新成果表明，科研人員從蜘蛛絲中提取絲素蛋白制作致密的聚合物材料以期用來修復斷裂的承重骨并且取得了初步成效，而蜘蛛絲纖維也作為理想材料被用于運送藥物、制造人造皮膚以及修復神經損傷等一系列課題的研究當中。

相信在不久的將來，隨著人造蜘蛛絲性能的不斷提升和對蜘蛛絲相關蛋白的深入研究，蜘蛛絲將會有更廣闊的應用前景，在更多領域展現出獨特的優勢，為科研工作者提供創新點和新思路，為人類的健康和社會的發展做出一定的貢獻。