近期，隨著漫威超級(jí)英雄電影《蜘蛛俠：英雄遠(yuǎn)征》的熱映，蜘蛛俠彼得·帕克，這個(gè)因?yàn)楸环派湫愿腥镜?/span>蜘蛛咬傷而具備了超能力的高中生，繼《復(fù)仇者聯(lián)盟4》之后又和影迷們見(jiàn)面了。他雖然不再有鋼鐵俠的呵護(hù)和美國(guó)隊(duì)長(zhǎng)的統(tǒng)領(lǐng)，卻再一次獨(dú)挑大梁，成為漫威宇宙中的一名孤膽英雄。 

（圖片來(lái)源：影片海報(bào)） 

　　和以往所有蜘蛛俠系列電影一樣，蜘蛛俠繼續(xù)發(fā)揮他上天入地和飛檐走壁的超能力，所依靠的還是他自己發(fā)明的神器——蛛網(wǎng)發(fā)射器。每當(dāng)面臨危急時(shí)刻，蜘蛛俠就會(huì)啟動(dòng)藏在手心處的蛛網(wǎng)發(fā)射器開(kāi)關(guān)，快速地從蛛網(wǎng)發(fā)射器中噴出粘性液體，在遇到空氣后迅速固化，形成蛛絲一樣的繩索。 

（動(dòng)圖來(lái)源：https://giphy.com/） 

　　而蛛絲的威力相信大家已經(jīng)在前幾部影片中領(lǐng)略過(guò)了。它不僅能拽著蜘蛛俠在高樓林立的城市半空中自由穿梭，逍遙快活地蕩著秋千。 

（動(dòng)圖來(lái)源：https://giphy.com/） 

　　     還能幫助蜘蛛俠徒手拉住高速運(yùn)行的火車。  

（動(dòng)圖來(lái)源：作者制作） 

　　     甚至把被劈開(kāi)的巨型輪船拉在一起。 

（動(dòng)圖來(lái)源：作者制作） 

　　憑借著這細(xì)細(xì)的蛛絲，蜘蛛俠多次挽狂瀾于既倒，扶大廈之將傾，救百姓于水火，深刻詮釋了什么叫俠之大者，為國(guó)為民。 

　　  

　　現(xiàn)實(shí)中的蛛絲和電影里相比毫不遜色 

　　不過(guò)你可能會(huì)說(shuō)，這畢竟是科幻大片中的橋段，電影想怎么拍就怎么拍，不過(guò)是導(dǎo)演和編劇一拍腦門的事，現(xiàn)實(shí)世界中的蜘蛛絲隨便拿一根竹竿就能把它挑斷，怎么可能有這么結(jié)實(shí)？其實(shí)，自然界中的蜘蛛絲的結(jié)實(shí)程度和影片中的比起來(lái)可以說(shuō)是毫不遜色，它之所以很容易就被挑斷，原因只有一個(gè)——太細(xì)了！ 

六種蛛絲以及蛛絲上懸掛的用于捕捉獵物的粘性液滴（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1,2]） 

　　 上圖分別為艾蛛（Cyclosa turbinate）、三帶金蛛 （Argiope trifasciata）、 金蛛（Argiope aurantia） 以及只在國(guó)外分布的三種蜘蛛的蛛絲在顯微鏡下的圖片。 

　　蜘蛛絲的直徑一般不到0.01mm（10微米），比我們的頭發(fā)絲還要細(xì)上四五倍，所以總是給人一種吹彈可破的印象。它的直徑已經(jīng)超出了我們?nèi)庋鬯芸吹降淖钚〕叽?。其?shí)，我們?nèi)粘Ｋ?jiàn)到的蜘蛛絲并不只是裸露的純蜘蛛絲，而是表面掛滿了蜘蛛分泌的用來(lái)捕獲食物的粘性液滴。 

　　當(dāng)蜘蛛絲變得足夠粗時(shí)，效果就截然不同了。蜘蛛絲具有高達(dá)1.75 ×1010 Pa的斷裂強(qiáng)度，是人體骨骼的135倍，高強(qiáng)度合金鋼的25倍，鉆石的6倍。比我們目前已知并應(yīng)用的所有天然絲和人造絲的斷裂強(qiáng)度都要大。拿同樣粗細(xì)的蜘蛛絲和鋼絲進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，扯斷蜘蛛絲所需的能量比扯斷鋼絲所需的能量要足足大上100 倍。 

　　以我國(guó)特有的十字園蛛為例，有研究表明，當(dāng)它的蛛絲達(dá)到和鉛筆一樣粗時(shí)，甚至可以拉住一架自重180噸、正以每秒80米速度降落的波音747飛機(jī)！ 

十字園蛛（圖片來(lái)源：https://www.veer.com/photo/132680760） 

　　  

　　蜘蛛俠徒手?；疖囆枰啻罄?？ 

　　我們進(jìn)一步以《蜘蛛俠2》中最為經(jīng)典的片段——蜘蛛俠徒手?；疖嚍槔?lái)自英國(guó)萊斯特大學(xué)的詹姆斯·福斯特等人計(jì)算了在這一過(guò)程中，蜘蛛俠的蛛絲所需要承受的拉力。 

　　 他們以一輛4節(jié)R160型號(hào)的紐約地鐵為模型進(jìn)行計(jì)算，每節(jié)車廂滿載為246人，四節(jié)車廂的車和人的總重量大約為200噸。影片中的地鐵正在全速行駛，時(shí)速約為24米/秒，蜘蛛俠大概在50秒內(nèi)將它平穩(wěn)安全地停下，這需要蛛絲給它30萬(wàn)牛頓的拉力。以下圖中蛛絲之于蜘蛛俠手臂的比例可以大致估算出：蛛絲的直徑大概為1.75毫米，由此可以算出，蜘蛛俠的蛛絲的拉伸強(qiáng)度至少為3.12×1010 Pa，是人體骨骼的240倍，高強(qiáng)度合金鋼的45倍，鉆石的11倍！  

（圖片來(lái)源：http://app.tongbu.com及作者制作） 

　　雖然這一強(qiáng)度要求的確超出了普通蜘蛛絲強(qiáng)度的最大值，但也并不是完全把蜘蛛家族所有成員“按在地上摩擦”，達(dá)爾文樹(shù)皮蛛就完全能hold住。 

達(dá)爾文樹(shù)皮蛛（圖片來(lái)源：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bark_Spider_2011.jpg） 

　　  

　　蜘蛛中最強(qiáng)的織網(wǎng)王者：達(dá)爾文樹(shù)皮蛛 

　　達(dá)爾文樹(shù)皮蛛發(fā)現(xiàn)于馬達(dá)加斯加的Andasibe-Mantadia國(guó)家公園，并于2009年以生物學(xué)家達(dá)爾文的名字命名，以此來(lái)紀(jì)念他的代表作《物種起源》發(fā)表150周年。 

　　達(dá)爾文樹(shù)皮蛛吐的絲強(qiáng)度達(dá)到了12×1010 Pa。如果說(shuō)普通蜘蛛的蛛絲強(qiáng)度在目前已知的所有天然絲和人造絲中難覓對(duì)手，那達(dá)爾文樹(shù)皮蛛的蛛絲強(qiáng)度已然到了獨(dú)孤求敗的程度。這種蛛絲的硬度是杜邦公司生產(chǎn)的人造纖維材料凱夫拉（廣泛用于坦克、裝甲車以及防彈衣）的十倍，幾乎可以同時(shí)逼停四輛影片中的地鐵。達(dá)爾文樹(shù)皮蛛還編織出了所有蜘蛛中最大的網(wǎng)，寬度達(dá)到了25米。而你可能會(huì)覺(jué)得這種蜘蛛一定是個(gè)龐然大物，實(shí)則不然，雌蛛身長(zhǎng)不到2cm，只有指甲蓋般大小；雄蛛的體積就更小了，只有雌蛛的五分之一。 

　　  

　　五級(jí)結(jié)構(gòu)成就蜘蛛網(wǎng)超強(qiáng)韌性 

　　 蜘蛛絲之所以有如此高的強(qiáng)度和韌性，與蜘蛛絲內(nèi)部巧妙獨(dú)特的分級(jí)結(jié)構(gòu)密不可分。 


蜘蛛絲的分級(jí)結(jié)構(gòu)（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[8,9,10]及作者加工） 

　　首先，蜘蛛絲的一級(jí)結(jié)構(gòu)是由氨基酸分子之間通過(guò)氫鍵（分子之間的一種相互作用力）彼此緊密相連形成的氫鍵β-鏈，氫鍵β-鏈再通過(guò)氫鍵相互連接夠成蛛絲的二級(jí)結(jié)構(gòu)——氫鍵β-片狀納米晶體。 

　　氫鍵β-片狀納米晶體嵌入到半無(wú)定型狀態(tài)的β-轉(zhuǎn)角多肽鏈中形成α-螺旋結(jié)構(gòu)，也就是蛛絲的三級(jí)結(jié)構(gòu)——蛋白質(zhì)納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)是蛛絲呈現(xiàn)高強(qiáng)度和高彈性的關(guān)鍵因素，使得蛛絲在拉伸、彎曲等形變過(guò)程中既能有足夠的相互作用力彼此牽引咬合，又能給蛛絲提供足夠的活動(dòng)空間，使其能產(chǎn)生較大的形變而不至于斷裂。 

　　由數(shù)百條三級(jí)結(jié)構(gòu)形成的絲原纖維被包裹層、外表皮捆綁在一起，發(fā)揮合力作用，進(jìn)一步放大了蛛絲的韌性和強(qiáng)度，最終形成了直徑在微米級(jí)的四級(jí)結(jié)構(gòu)——蜘蛛絲以及由蜘蛛絲編織成的五級(jí)結(jié)構(gòu)——蜘蛛網(wǎng)。 

　　蜘蛛絲應(yīng)用前景廣闊但難以商業(yè)化應(yīng)用 

　　蜘蛛絲具有高彈性、高韌性、高吸水性、質(zhì)量輕和可生物降解等諸多優(yōu)點(diǎn)，使得它在很多領(lǐng)域，如：航空航天領(lǐng)域（人造衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)材料及復(fù)合材料和宇航服）、軍事領(lǐng)域（坦克、裝甲、飛機(jī)，防彈衣和降落傘等）、工業(yè)領(lǐng)域（高強(qiáng)度材料，車輪外胎等）、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域（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）以及紡織領(lǐng)域（服飾、圍巾等）都有著巨大的應(yīng)用前景。 

　　但是迄今為止，蜘蛛絲的商業(yè)化應(yīng)用還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，這是因?yàn)?b>蜘蛛不同于家蠶可以大規(guī)模人工飼養(yǎng)，蜘蛛具有自相殘殺、同類相食的特性。你可能注意到，生活中很難見(jiàn)到一張蛛網(wǎng)上同時(shí)生活著兩只蜘蛛。不過(guò)隨著科技的發(fā)展，科學(xué)家利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，將蜘蛛絲注入到蠶卵中，這樣在家蠶的基因鏈中就有了蜘蛛吐絲的基因，利用這種“借雞下蛋”轉(zhuǎn)基因技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)蜘蛛絲的大規(guī)模生產(chǎn)制備。 

　　現(xiàn)實(shí)世界中的蜘蛛由于相貌多丑陋猙獰，常常令人毛骨悚然、避之不及，這種形象和影片中英俊善良的蜘蛛俠簡(jiǎn)直“判若兩蛛”。 

　　實(shí)際上，相對(duì)于人類的生活生產(chǎn)而言，大部分蜘蛛還是屬于益蟲(chóng)的。因?yàn)樗黄茐募Z食莊稼，既能捕食蒼蠅、蚊子等害蟲(chóng)，又能入藥。即便極少數(shù)蜘蛛帶有一定的毒性也很難帶來(lái)致命的傷害，人被蜘蛛傷而致死的幾率甚至比被蜜蜂蟄死的幾率還要小得多。 

　　在大多數(shù)情況下，蜘蛛絕不會(huì)主動(dòng)攻擊人類。即便攻擊人類，蜘蛛的牙齒也很難刺穿人的皮膚，所以我們不能因?yàn)槿思议L(zhǎng)得丑就“以貌取蛛”，這是很不客觀、很不科學(xué)的。 

　　比如下面圖片中的那位高腳白額蛛，它之于蟑螂好比中國(guó)人之于小龍蝦，可以說(shuō)是蟑螂的頭號(hào)天敵，并且能一次捕食多只蟑螂。它來(lái)者不拒，抱住就啃，之后大快朵頤。另外，它生性膽小，喜歡潛入人類住宅中，晝伏夜出而且不結(jié)網(wǎng)，可謂人畜無(wú)害，逐漸成為居家生物防治滅蟑的寵兒（當(dāng)然僅限于半夜醒來(lái)，看到這東西倒掛在天花板上，嘴里還叼著一只小強(qiáng)的尸體抱著啃，都還能睡得著的人）。 

（動(dòng)圖來(lái)源：作者制作） 

　　  

　　參考資料： 

　　[1] Opell B D, Hendricks M L. The role of granules within viscous capture threads of orb-weaving spiders[J]. Journal of Experimental Biology, 2010, 213(2): 339-346. 

　　[2]蔣平, 吳麗華, 江麗琴, 等. 蜘蛛絲的組成結(jié)構(gòu)與生物學(xué)功能[J]. 動(dòng)物學(xué)雜志, 2014, 49(5): 778-791.  

　　[3]https://physics.le.ac.uk/journals/index.php/pst/article/view/548/354 

　　[4] https://zhuanlan.zhihu.com/p/22923889 

　　[5]http://news.bbc.co.uk/earth/hi/earth_news/newsid_9001000/9001866.stm 

　　[6]http://www.nephilidae.com/mk/articles/Kuntner&Agnarsson2010.pdf    

　　[7]高茜斐. 蜘蛛絲的研究進(jìn)展[J]. 廣東化工, 2017, 44(14): 126-127.  

　　[8]Keten S, Xu Z, Ihle B, et al. Nanoconfinement controls stiffness, strength and mechanical toughness of β-sheet crystals in silk[J]. Nature materials, 2010, 9(4): 359.   

　　[9]Tarakanova A, Buehler M J. A materiomics approach to spider silk: protein molecules to webs[J]. Jom, 2012, 64(2): 214-225.                      

　　[10] Buehler M J. Tu (r) ning weakness to strength[J]. Nano Today, 2010, 5(5): 379-383. 

　　[11] 董晶, 趙坤偉, 程金亮, 等. 蜘蛛絲纖維的研究現(xiàn)狀與展望[J]. 現(xiàn)代紡織技術(shù), 2019 (1): 4. 

　　[12] Agnarsson I, Dhinojwala A, Sahni V, et al. Spider silk as a novel high performance biomimetic muscle driven by humidity[J]. Journal of Experimental Biology, 2009, 212(13): 1990-1994. 

　　[13] https://en.wikipedia.org/wiki/Ultimate_tensile_strength 

徒手?；疖?蛛絲真的這么厲害？

圖文簡(jiǎn)介

摘要：近期，漫威超級(jí)英雄電影《蜘蛛俠：英雄遠(yuǎn)征》正在熱映。和以往所有蜘蛛俠系列電影一樣，蜘蛛俠依靠他的蛛網(wǎng)發(fā)射器，繼續(xù)發(fā)揮他上天入地和飛檐走壁的超能力。而蛛絲的威力相信大家已經(jīng)在前幾部影片中領(lǐng)略過(guò)了。它不僅能拽著蜘蛛俠在高樓林立的城市半空中自由穿梭，逍遙快活地蕩著秋千，還能幫助蜘蛛俠徒手拉住高速運(yùn)行的火車。其實(shí)自然界中的蜘蛛絲的結(jié)實(shí)程度和影片中的比起來(lái)可以說(shuō)是毫不遜色。