蠶絲和蜘蛛絲，全世界堪稱最完美的材料，可以應用到任何領域

蠶

和蜘蛛

都是動物界非常優秀的「紡織能手」，它們吐的絲的優良性能令我們人類稱奇。科學家致力於研發「人造蠶絲」、「人造蛛絲」，以滿足我們除衣著服飾以外的更多方面的需求。

動物界中有很多天生的「紡織能手」，它們吐出長絲，或為自己搭建房屋，或布下羅網捕獲獵物。而對於人類來說，這些天然的動物纖維則可為人類所用。人類早在5000年前就開始探索蠶吐絲的秘密，並利用蠶絲製作衣物。而在今天，人類更是創造性地將蠶絲、蜘蛛絲等運用到軍事、醫學等各個領域。各種奇「絲」妙想正在改變著我們的生活。

纖維「皇后」：蠶絲

蠶絲

是人類最早利用的天然動物纖維之一，蠶絲因其特殊的光澤和細膩光滑的手感而成為人類的優質服飾原料。中國是世界上最先養蠶繅絲的國家，並且壟斷絲綢業達3000年之久，歷史上為打通亞洲和歐洲的絲綢貿易路線而建立的「絲綢之路」更是聞名遐邇。中國古人早已懂得選擇性地飼養家蠶，因為家蠶所產的蠶繭比普通野生蠶蠶繭要大得多，同時也易於拆散和抽絲。

蠶在化蛹前，要先連續吃一個月的「桑葉大餐」，

將自己的體重增加到剛出生時的1萬倍。在作繭時，蠶會尋找一根樹枝作為固定點，然後將頭向後仰，從口中吐出細長的絲線，並像寫阿拉伯數字「8」那樣不斷地搖晃頭部，從外到內地吐絲作繭，直至將自己關在繭——由蠶自己建造的「保護倉」中。一隻蠶大約要吐1千米長的絲才能織出一個完整的繭。繭可以有效地防止外界的細菌、鳥類等對蠶的傷害。

蠶作為人類的絲綢「製造工」，僅有少數幸運者被允許破繭成蛾併產卵，大部分蠶繭都被收集起來並放入沸水中蒸煮，這個過程會殺死蠶，

同時除去將蠶絲粘連在一起的膠狀物。之後，人們刮擦蠶繭，找到蠶絲的末端並纏繞在線軸上，然後開始抽絲。通常需要幾股蠶絲纏繞在一起才能紡出我們日常所用的絲線。

蠶絲纖維在被蠶吐出來前，並不是纏在線軸上的那個樣子，而是以蛋白質（由各種氨基酸重複組成的長肽鏈）的形式，像果凍一樣存在於蠶的腺體中。蠶通過體內的兩個腺體產生蠶絲，而這兩個腺體的重量佔到了其體重的1/3。當蠶要結繭時，這些蛋白質「果凍」會進入一條管道，在那裡排列成纖維狀，並脫掉水分子，轉換成固態纖維。分別形成於兩個腺體中的固態纖維被蠶分泌的一種蛋白膠「綁」在一起，然後從蠶口中的一個特殊通道中吐出——這就是我們看見的蠶絲。

隨著對蠶絲的深入研究，科學家發現了蠶絲的一些非常優秀的生物學特性，例如不會引起機體的免疫反應、生物降解較慢，等等。於是，蠶絲的用途開始從服飾擴展到醫學領域。

研究發現，在蠶絲的周圍很容易培植幹細胞。

根據這一特性，蠶絲今後有可能被用作修補斷骨和撕裂的肌肉的理想支架材料，或用來培養人造骨骼。研究還發現，如果在絲質物中嵌入酶和蛋白質，它們就能在一定時間內持續地發揮作用，短至數秒鐘長至一年，完全取決於人為的調控。根據這一特性，可以用蠶絲為那些需要長期服藥的病人研製新型藥物。還有研究者利用蠶絲的柔軟性，正在研發一種可溶性電子元件薄膜，以取代傳統的硅晶片植入患者的大腦里。這一研究有望改進大腦與計算機的連接方式。

一個有趣的發現是，只要在某種特殊的電場中，絲質物就會改變其黏性——在黏性物和非黏性物之間轉換。根據這種可逆的黏性，可以將絲質物製成黏膠，為正在送往醫院途中的出血病人止血，然後在進入醫院後再改變其屬性，讓外科醫生可以迅速處理病人的傷口，而人們所要做的僅僅是按下電場轉換開關。

纖維「新寵」：蛛絲

如果說蠶絲是纖維的「皇后」，那麼蛛絲則可謂纖維的「新寵」。

在蜘蛛的腹部末端有6～8個被稱為「絲疣」的突起物，蛛絲就是從這裡「吐」出體外的。

與蠶一樣，蜘蛛也有專門的分泌絲蛋白的腺體，所不同的是，蜘蛛有多種腺體，可以分泌不同的蛛絲蛋白。這些蛛絲蛋白在蜘蛛體內為液態，經由各自的通道到達絲疣口時，液態絲蛋白在體內外壓力差作用下重新排列，最終形成固態的蛛絲。

蛛絲的組成成分與蠶絲相似，主要為各種氨基酸，但蛛絲擁有更甚於蠶絲的優點。蜘蛛的牽引絲（即蜘蛛用於搭建蛛網的絲，在各種蛛絲中最為堅固）的直徑是不變的，而蠶絲的直徑則在蠶搖頭晃腦畫「8」字的不同階段有變化。蛛絲的強度更強，通常是蠶絲的4～5倍。如果以可承受重量與自身重量的比值這個參數作為比較值，那麼，一根典型的蛛絲的堅韌度是鋼筋的20倍，是合成纖維凱夫拉

（一種常用的防彈纖維，重量很輕但質地牢固）的4倍。蛛絲還異常柔韌，可以在不斷裂的情況下再拉長50%之多。此外，蛛絲在高溫及酸性條件下具有極佳的穩定性，在-50℃仍能保持良好的彈性。除上述物理特性外，蛛絲還具有與蠶絲一樣的生物特性（無免疫反應，生物降解緩慢）。蛛絲因以上種種特性，被人們譽為「迄今為止發現的最為優良的天然纖維」。

因其優良的強度和柔韌性，科學家對蛛絲投以特別的關注。蛛絲在軍事上的貢獻從「二戰」時期就開始了，那時英國軍隊的槍炮瞄準線就是用蜘蛛絲製成的。蛛絲還是研發防彈衣的新型材料。蛛絲在人造皮膚、人工肌腱、人工韌帶及人工角膜等醫學用途上，也有比蠶絲更好的應用前景。

和蠶絲纖維一樣，蛛絲纖維也具有良好的透水、透氣性，又不易被細菌穿透，與創面貼合良好。蛛絲本身的通透性和天然皮膚非常接近，且具有很好的伸展性，非常適用於人造皮膚的原材料。

蛛絲以其高強度、高韌性，以及良好的柔軟性和可塑性，成為製造人工肌腱的理想材料。蛛絲還可用作韌帶的再生支架，在不久的將來用於治療世界上最常見的由關節前十字韌帶斷裂造成的膝蓋損傷疾病，這無疑給全世界患者帶來了希望。蛛絲還是人工角膜的首選材料。

目前醫學上大多採用聚甲基丙烯酸甲酯製造人工角膜，這種材料雖然具有良好的透光性和可塑性，但硬度相對較高，而且具有免疫反應等副作用。

科學家還發現了蛛絲在外科手術（包括神經、眼睛等）縫合方面的用途。現在常用的天然縫合材料中，腸線柔韌性欠佳，動物肌腱容易在體內過早地被吸收。如果用蛛絲縫合傷口，不僅可以克服上述缺點，其良好的生物相容性還可以讓創口恢復更快，且不會留下疤痕。

奇「絲」妙想：人造蛛絲

蛛絲具有上述種種優點，但要將其用於醫學研究等領域也非易事——與家蠶相比，蜘蛛很難實現大規模養殖。我們現在唯一所知的蛛絲紡製品，是在倫敦一家博物館展出的一塊絲毯。不到4平方米的絲毯，卻是從各地搜集了100萬隻金圓蛛的蛛絲，召集80位能工巧匠花費5年時間才織造而成的。

然而，蛛絲的誘惑又是如此之大，讓科學家們不遺餘力地尋求人工合成蛛絲的方法。

最早的相關研究都是將蠶絲作為研究對象，因為二者的構成相似。最常見的一種合成蠶絲的方法是：將沸水煮過的蠶繭去除絲膠層，浸泡在化學試劑中，將蛋白質鏈分解成原始的基本單元（有科學家將之稱為「蠶絲纖維的逆向工程」），然後再利用各種技術製成不同結構和形態的蠶絲。這種生產再生絲的方法的最大優點是可以按照人的意願改變絲的結構和形態。但令人遺憾的是，用這種方法製造出的再生絲，強度只有天然蠶絲的1/5，而且在製造過程中天然蠶絲的蛋白結構被破壞了。

科學家轉而利用基因工程手段。有科學家將蛛絲蛋白基因分別注入大腸埃希氏桿菌、馬鈴薯、煙草等多種微生物和植物中，希望在這些生物組織中能製造出蛛絲蛋白。遺憾的是，效果不甚理想。

之後，加拿大科學家將蛛絲蛋白基因植入母山羊的卵細胞中，以獲取具有蛛絲蛋白的羊奶，然後再用特殊的方法將羊奶中的蛛絲蛋白紡成人造蛛絲。通過這種方法獲得的人造蛛絲與天然蛛絲有一定的相似性，其強度可以達到鋼絲的4～5倍，被譽為「生物鋼」。

美國科學家培育出一種轉基因蠶，可將蛛絲蛋白整合到蠶絲纖維的結構中去。現在，這種轉基因蠶已吐出包含蛛絲蛋白的絲纖維，其強度和韌性都優於普通蠶絲。

還有科學家打算培養可以生產蛛絲的細菌，以滿足大規模生產的要求。

目前，世界上有多個研究小組正利用激光和X射線研究蛛絲纖維的分子結構，以了解不同「紡紗」條件如何影響蛛絲構造。這對於今後製造出和天然蛛絲一樣優質的人造蛛絲有著至關重要的作用——要想生產出高強度、高性能的纖維，加工過程應該儘可能地接近天然絲生產過程。

相信在不遠的將來，通過科學家的不懈努力，生物界的這些神奇纖維將不僅僅是我們穿在身上的各式服裝，而且還是重要的救命材料。

破解蛛絲堅韌之謎

蛛絲為什麼如此堅韌？這一直是科學界的一個未解之謎。不久前，麻省理工學院的一個研究小組宣稱，他們已經破解了這個謎題。他們還宣稱，準備使用一種新的合成材料來製造和蛛絲的堅韌程度不相上下，甚至性能比蛛絲更好的產品。根據他們的研究結果，蛛絲的質地之所以如此堅韌，主要是由於蛛絲纖維內部的氫鍵具有一種特殊的結構。

由於蛛絲內部納米晶體的特殊結構方式，晶體中鄰近氫鍵的結合力能夠被整合在一起，這樣便可起到有效地抵抗外力破壞的效果。這種氫鍵結構只會被逐步破壞，而且即使遭到破壞，也會很快地重建。

此外，蛛絲內部納米晶體的大小是影響蛛絲堅韌性的非常重要的因素。

新研究發現，如果這些晶體的大小保持在3納米左右，那麼蛛絲的強度和韌性便會達到最高。如果進一步增加到5納米，那麼材料的強度和韌性會大為減弱，脆性則會大幅提升。

研究人員還在計算機上模擬出了這種特殊的蛛絲分子結構和相互間作用的情況。

研究人員認為，這次的研究成果意義重大，可用於開發比現有的高性能纖維材料成本更低，而性能更高的替代型材料。他們目前正在研究如何使用這種技術製造出與蛛網內部結構類似的新型合成材料。

從防彈背心到防彈皮膚

前些年科學家培育出了一種轉基因山羊，這種山羊所產奶中含有與蛛絲相同的蛋白質，使用「山羊蛛絲」編成的織物的堅韌度是防彈背心所用的凱夫拉縴維的4倍。在實驗室里，科學家將山羊蛛絲與生物工程手段培育的人類皮膚混合在一起，從而獲得了具有防彈能力的人造皮膚。

據稱，這種生物工程皮膚能夠經受住半速發射的子彈轟擊。不過，它目前的極限抗衝擊力是每秒329米，超過這一極限，子彈便會穿透皮膚。此項研究旨在用蛛絲蛋白取代人類皮膚中的角蛋白，有望讓科幻成為現實。

有科學家進一步設想：能否用蛛絲蛋白取代皮膚中的角蛋白？

將蜘蛛分泌蛛絲的基因植入人類基因組，從而打造出防彈超人——這聽起來很科幻，但科學家認為並非不可能，方式就是將具有防彈性能的蛛絲與人工培育的皮膚結合在一起。防彈背心已經有幾十年歷史，但能夠防彈的皮膚卻一直存在於科幻作品中，最著名的例子就是超人這位刀槍不入的超級英雄。也許用不了多久，這種科幻就將變成現實。

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