蜘蛛的錦囊妙絲
——談蜘蛛絲的科學(xué)應(yīng)用

◆宦茜璽

(陜西省西安中學(xué))

蜘蛛絲看起來細(xì)弱無比，又怎么會(huì)像科幻電影中擁有那么強(qiáng)大的力量呢？實(shí)際上，蜘蛛絲是我們已知的最硬材料之一。它是蜘蛛經(jīng)由其絲腺體分泌的一種生物蛋白彈性體纖維，科學(xué)研究表明，其強(qiáng)度約為鋼鐵的5倍卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)輕于鋼鐵，彈性約為芳綸的10倍，熱導(dǎo)率是其他有機(jī)材料的800倍，拉伸強(qiáng)度甚至可以達(dá)到109N/m2，堅(jiān)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(wǎng)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(fā)直徑的三十分之一都不到，對(duì)于更加強(qiáng)大的外力，蜘蛛絲自然是無法抵抗的。然而，正是這些細(xì)弱的絲和網(wǎng)，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(xì)，那么拉住一架飛行中的戰(zhàn)斗機(jī)也是完全有可能的。

一提到蜘蛛絲，我們的腦海里就會(huì)浮現(xiàn)出蜘蛛網(wǎng)的形態(tài)，雖然不是所有的蜘蛛都結(jié)網(wǎng)，但所有的蜘蛛體內(nèi)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(chǎn)生不同特性的絲，并且執(zhí)行不同的生物學(xué)功能。例如，葡萄狀腺分泌捕捉絲、卵袋細(xì)絲，柱狀或管狀腺分泌卵袋絲等。許多人以為蜘蛛網(wǎng)是由同一種蜘蛛絲構(gòu)成的，然而事實(shí)并非如此，僅僅編織一個(gè)圓形蜘蛛網(wǎng)就需要?jiǎng)佑皿w內(nèi)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(zhì)等，這些絲腺體分泌的蜘蛛絲都是圓形蜘蛛網(wǎng)骨架的必要組成部分。單憑肉眼的觀察，我們是無法發(fā)現(xiàn)蜘蛛網(wǎng)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(wǎng)中的作用相輔相成，缺一不可。其中，拖牽絲根據(jù)功能又可分為三種不同的類型，它們分別對(duì)網(wǎng)的固定、網(wǎng)形態(tài)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(gè)體絲所組成的固定絲賦予了它優(yōu)異的撕裂強(qiáng)度，這也保證了蜘蛛網(wǎng)的良好彈性。除了蜘蛛絲本身的結(jié)構(gòu)之外，外部環(huán)境對(duì)絲的彈性也起著至關(guān)重要的作用。自然條件下，蜘蛛絲外通常會(huì)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(zhì)，由近20種氨基酸所構(gòu)成，和人體的氨基酸數(shù)量十分相近，這表明了蜘蛛絲種類的多樣性，同時(shí)它也具有蛋白質(zhì)的性質(zhì)，如熱變性。蜘蛛絲還具有雙層的物理結(jié)構(gòu)，即微原纖組成的內(nèi)核與皮層原纖組成的外皮排列成兩個(gè)同心圓柱體。與蠶絲的兩相納米結(jié)構(gòu)不同，蜘蛛絲是一種三相結(jié)構(gòu)，存在無定形區(qū)、結(jié)晶區(qū)和點(diǎn)陣晶區(qū)，這種混合結(jié)晶和基質(zhì)結(jié)構(gòu)也決定了蜘蛛絲的高強(qiáng)度。在通常情況下，纖維的拉伸斷裂是表面裂口向內(nèi)繼續(xù)剪切的結(jié)果，但蜘蛛絲基質(zhì)中的結(jié)晶會(huì)顯著抵抗這種斷裂力，從而使應(yīng)力轉(zhuǎn)向并減弱，最終可以使蜘蛛絲的長度達(dá)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(jìn)化了億萬年之久，人類對(duì)蜘蛛絲的利用更是隨著科技的進(jìn)步而越來越富有創(chuàng)造性。從古希臘的士兵用蜘蛛卵囊包扎傷口，新幾內(nèi)亞漁民利用蜘蛛絲編織漁網(wǎng)，直到現(xiàn)在，人們借助更強(qiáng)大的工具發(fā)現(xiàn)了蜘蛛絲的高纖維強(qiáng)度，輕質(zhì)量、高延展性，高吸水性和生物降解性等優(yōu)良的性能，使得它在各個(gè)領(lǐng)域如：航空航天方面(人造衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)材料和復(fù)合材料，宇航服)、軍事方面(坦克、裝甲、飛機(jī)，防彈衣和降落傘等)、工業(yè)方面(高強(qiáng)度材料，車輪外胎等)、建筑方面(橋梁、高層建筑等的結(jié)構(gòu)材料和復(fù)合材料)、醫(yī)學(xué)方面(人造組織或器官，可降解手術(shù)縫合線等生理組織和生物材料)、紡織方面(服飾、圍巾等)都發(fā)揮著巨大的作用，尤其是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域迅速發(fā)展的今天，科學(xué)研究者們從生物材料中深受啟發(fā)，先后意識(shí)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(fù)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(yùn)送藥物、制造人造皮膚以及修復(fù)神經(jīng)損傷等一系列課題的研究當(dāng)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(duì)蜘蛛絲相關(guān)蛋白的深入研究，蜘蛛絲將會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景，在更多領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，為科研工作者提供創(chuàng)新點(diǎn)和新思路，為人類的健康和社會(huì)的發(fā)展做出一定的貢獻(xiàn)。