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可能有人會好奇，為什么不能像養(yǎng)蠶一樣大規(guī)模養(yǎng)蜘蛛呢？蠶寶寶只要有桑葉吃，并不介意擠在一起，而蜘蛛則不然，喜愛獨居的它們，在遇到同類時會相互殘殺。所以，以天然方式大規(guī)模生產蜘蛛絲是行不通的。

 鑒于蜘蛛絲優(yōu)異的材料性能，科學家們從十幾年前就開始尋找大規(guī)模量產的方式。既然蜘蛛拒絕合作，那就只能“曲線救國”。早在2000年，就有科學家將蜘蛛身上產生蛛絲蛋白的基因移植到山羊身上，然后從羊奶中提取蛛絲。但這些“腦洞大開”的方法最終都沒能實際應用。

 最近，不死心的科學家們又盯上了蠶寶寶，既然它們會吐絲，不如吐點蜘蛛絲？

 美國密歇根州的克雷格生物技術實驗室（Kraig Biocraft Laboratory）最近搞了一個大新聞：他們與美國陸軍將開始對“龍絲”（Dragon Silk）進行實測，這是一種利用轉基因技術開發(fā)的新一代超高韌性的纖維。這種纖維的獨特之處在于，它實際上是由轉基因的家蠶吐出的蜘蛛絲。公司在一份聲明中稱，在所有目前已知的材料中，“龍絲”纖維的韌性是最高的。如果測試成功，“龍絲”或許在不久的將來替代凱夫拉（Kevlar）纖維，用于制作性能更為優(yōu)異，而且更為輕薄的防彈衣。

凱芙拉(Kevlar)是杜邦公司使用在芳族聚酰胺類有機纖維上的注冊商標，這一類纖維具有極高的強度，因此常用于制作繩索、電纜、涂漆織物、防彈背心等。

紫外線照射下的蠶繭，左邊藍色的是正常蠶繭，右邊綠色的是轉基因蠶繭。圖片來源：克雷格生物技術實驗室

 說起蜘蛛絲，大家應該都不會陌生。在漫威系列電影《蜘蛛俠》里，蜘蛛俠飛檐走壁打反派救女神，靠的就是他那無比神奇，極具彈性，又可任意伸長變形的蜘蛛絲。當然，現(xiàn)實生活中的蜘蛛絲無法與電影中的相提并論，但是其優(yōu)異的力學性能依然吸引了許多科學家的注意。那么問題來了，為什么他們要選擇蜘蛛絲呢？

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　蜘蛛絲強在何處？

  簡單來說，蜘蛛絲具有獨特的高強度與延展性。其韌性之高，讓所有的人造橡膠、纖維均相形見絀。這種性質的獨特之處在于，在常見的材料之中，強度與延展性常常是互斥的。

 可以這么理解，強度是一個物質抵抗變形的能力（剛度），延展性是一個物質順從變形的能力（柔度）。目前看來，材料領域似乎也只有蜘蛛絲存在這樣剛柔并濟的特點，因而不得不讓科學家對它高看一眼。

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 　在材料力學性能測試中，最為經典的測試手段就是拉伸實驗。這個實驗能給予我們至少四個非常重要的數(shù)據：彈性模量（又被稱為楊氏模量）、強度、應變與韌性。

  在下圖A中的拉伸曲線的示意圖所示，其中橫坐標是應變（ε = △ L / L ，是一個無量綱的數(shù)值），縱坐標是強度（單位一般是MPa或者GPa）。在拉伸曲線的初始線性階段的斜率，是這種材料的彈性模量。一種材料在拉伸曲線中所達到的最高強度作為這個材料的強度（單位也是MPa或者GPa），而材料的最大應變值則等于這種材料斷裂時的延伸率。而材料的韌性（單位是MJm-3），則由拉伸曲線下方的面積衡量。 

　　拉伸曲線示意圖（A）與蜘蛛的曳絲（紅色）和粘絲（藍色）拉伸曲線（B），圖片來源：F. Omenetto, et al. Science, 329, 2010,528-531

　介紹完基礎知識，我們可以來看看蜘蛛絲的拉伸曲線。科學家們發(fā)現(xiàn)，蜘蛛絲實際上分為兩類，一種是用于支撐蜘蛛網框架結構的曳絲（Drag Line），另一種為輪輻狀的粘絲（Viscid Line）。這兩種材料具有非常不同的力學性能特征。

 從相應的拉伸曲線可以看出，如圖1(B)所示，曳絲強度以及彈性模量要比粘絲高出許多，但是延伸率（~0.3）卻要比粘絲（~2.7）低得多。粘絲的最大應變可達2.7，這是一個驚人的數(shù)字：這意味著粘絲可以一直伸長到其初始長度的3.7倍而不斷裂。

 另一方面，曳絲盡管其最大應變與粘絲相比似乎少得可憐，但是0.3的應變依然是一個十分優(yōu)秀的成績，甚至已經超過了絕大多數(shù)包括金屬在內的金屬材料。表1列出了蜘蛛的曳絲，粘絲與其他一些常見生物以及結構材料之間的比較。

　　蜘蛛絲與常見人造纖維及結構材料力學性能 ，表格來源：F. Omenetto, et al. Science, 329, 2010,528-531

 我們可以看到，盡管蜘蛛絲纖維的強度不及高強的碳纖維以及一些其他的合成纖維（如芳綸，即凱夫拉），但是其韌性則遠遠優(yōu)于這些主要用于抗沖擊材質的纖維。事實上，目前尚未有任何人造纖維材料能達到這一數(shù)值。而說起凱夫拉，恐怕大家最為耳熟能詳?shù)膽�用就是用作防彈背心的凱夫拉裝甲。

凱夫拉護甲。圖片來源：eBay

　實事求是的說，美國杜邦公司于上個世紀五十年代研發(fā)出的凱夫拉纖維幾乎已經可以看做是現(xiàn)代防彈背心的代名詞。但是，蜘蛛絲的韌性幾乎達到了凱夫拉纖維的三倍。之前我們已經提到，韌性的單位是（MJ/m3，即單位體積吸收的能量）。這意味著，如果用蜘蛛絲制作同樣大小的防彈背心，其在破裂之前吸收的能量將達到凱夫拉的三倍，這意味著由蜘蛛絲制成的防彈背心將具有更為優(yōu)秀的防彈能力，從而可以挽救更多戰(zhàn)士或者是執(zhí)法人員的生命。

 可以看到，蜘蛛的曳絲具有與常見的高強鋼相當?shù)膹姸龋�而蜘蛛絲的密度僅約為鋼的1/5到1/6，因而有人說，同等重量的蜘蛛絲是鋼的五倍。

 除了具有優(yōu)異的力學性能之外，蜘蛛絲另一個為研究人員青睞的原因在于其主要成分為生物蛋白，因而具有非常好的生物相容性。因此，蜘蛛絲的潛在應用還包括生物醫(yī)藥材料，例如用于傷口縫合線，干細胞生長的支架材料，生物黏合劑甚至肌腱韌帶等。

  正是由于蜘蛛絲所具有的超高韌性，有科學家樂打趣道，“用鉛筆桿一樣粗細的蜘蛛絲來結成網，那么這張網可以攔截住一架飛行當中的波音747客機”。

  可以估算一下，攔下一架正在以巡航速度飛行（920km/h）的波音747飛機（140噸），需要一張厚度為鉛筆粗細(0.5 厘米)，面積至少為6100平方米（略小于一個標準足球場）的蜘蛛網才行。

 我們先不去質疑織出這張網的用途，也假裝可以無視織出這張網需要的預算，最大的問題是，上哪去收集這么多蜘蛛絲來織成這樣的網？

 很遺憾，現(xiàn)實生活中并不存在像蜘蛛俠彼得帕克這樣可以隨心所欲“biu biu biu”地短時間射出一團蜘蛛網的超級英雄。蜘蛛不比家蠶，它的生活習性就決定了它無法像家蠶一樣默默地吐絲到天荒地老。絕大多數(shù)蜘蛛屬于肉食性動物，需要吃很多昆蟲才能結少量的網。

 同時其同類相食的特點也決定了它難以被高密度養(yǎng)殖。同時，蜘蛛吐絲的速率也遠稱不上勤快。即使大家都同意蜘蛛絲具有無比優(yōu)異的性能，但是制約其商業(yè)化應用最大的障礙，正是蜘蛛絲本身低下的制備效率。

　　圖2. 在美國自然歷史博物館展出的蜘蛛絲織錦（Tapestry）（圖片來源：Wired）

一個更為直觀的例子來自美國的自然歷史博物館。2009年9月，美國自然歷史博物館展出了一塊約3.3米寬，1.2米高的蜘蛛絲織錦，如圖2所示。這幅尺寸不算驚人的織錦是由超過80人在四年里收集了1百萬只黃金球蛛（Golden Orb Spider）織的絲才編制而成。顯然，如果將來蜘蛛絲真的開始大范圍地用作防彈衣的材料，人們必須要像電影中的蜘蛛俠彼得·帕克一樣，擁有高效生產蜘蛛絲的“魔法”。

如何才能高效的生產性能優(yōu)異的蜘蛛絲呢？

 早期的研究表明，蜘蛛絲本質上是復雜的蛋白質分子。蜘蛛絲蛋白包含了結晶與非結晶結構，前者增加了蜘蛛絲的物理強度，后者則增加了蜘蛛絲的延展性。同時，部分的內在結構與蜘蛛絲存在一定的取向關系，而這些取向關系也在一定程度上使得蜘蛛絲能具有優(yōu)異的延展性能。

 另外，研究者們還發(fā)現(xiàn)蜘蛛吐絲的速率可能在一定程度上改變了分子的微觀取向，從而會影響蛛絲的力學性能。這些復雜的蛋白質分子以及其內在的微觀取向關系使得人工化學合成性能相當?shù)睦w維困難重重。專注開腦洞的科學家們繼續(xù)在這個問題上繼續(xù)發(fā)揮了他們天馬行空般的想象力。既然實驗室做不出來，蜘蛛也很難搞定，那么有沒有辦法讓蜘蛛像家蠶那樣吐絲呢？

轉基因家蠶破繭成蛾，圖片來源：克雷格生物技術實驗室

　正是在這個時候，基因工程開始大放異彩。早在2011年的一篇發(fā)表于美國科學院院刊的一篇文章中，研究者們就通過轉基因技術，使得普通的家蠶可以分泌出具有與蜘蛛絲相同蛋白成分的蠶絲，從而大大地提高了蜘蛛絲的產量。

 另外，美國猶他州立大學的蘭迪劉易斯（Randy Lewis）教授則另辟蹊徑，將表達蜘蛛絲蛋白質的DNA序列轉移到了山羊的乳腺細胞中，從而實現(xiàn)在轉基因山羊的羊奶中獲取蜘蛛絲蛋白。但是目前來看，轉基因家蠶是最有優(yōu)勢的一種手段。文章開頭提到的克雷格生物技術實驗室采用的正是這一手段，試圖大規(guī)模地制備性能出眾的蜘蛛絲。

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　值得一提的是，我國科學家復旦大學的邵正中教授發(fā)現(xiàn)，家蠶吐出的絲在一定條件下也可能具備與蜘蛛絲相媲美的強韌度。當時，學術界普遍認為，蠶絲的性能要弱于蜘蛛絲，盡管蠶絲來源要比蜘蛛絲容易得多，但是仍然未能引起廣泛的關注。邵教授首先注意到蠶絲的力學性能與家蠶的吐絲行為（比如吐絲速度，頭部轉動等）有關。通過組織家蠶頭部的轉動，并且調節(jié)家蠶的吐絲速率，可以得到韌性與蜘蛛曳絲相媲美的蠶絲。邵教授的這一發(fā)現(xiàn)無疑為高效制備高性能生物纖維提供了一個新的思路。