古今中外的超強藝術創(chuàng)作中不乏蜘蛛絲的身影，無論是蜘蛛西游記里的蜘蛛精還是漫威宇宙中的蜘蛛俠，都憑借蜘蛛絲提高戰(zhàn)斗力。前世

而使這看起來纖細柔弱的今生蜘蛛絲脫穎而出的，卻是超強它超強超韌的機械性能。隨著材料科學的蜘蛛進步，超強蜘蛛絲逐漸從科幻走向現(xiàn)實。前世

01蜘蛛絲有多強？今生

蜘蛛絲是由腹部的腺體分泌的，如大囊狀腺、超強小囊狀腺、蜘蛛管狀腺等。前世液體狀態(tài)的今生絲蛋白就儲存在這些不同的腺體中，當它們由腺體來到吐絲口時，超強就會形成固體狀態(tài)的蜘蛛絲纖維，這就是前世我們看到的蜘蛛絲。

這些腺體就像蜘蛛紡絲的“工廠”，可以形成不同功能的蜘蛛絲，比如可以粘住獵物的捕獲絲、幫助蜘蛛脫離危險的牽引絲、保護蜘蛛卵的卵囊外絲等。

因此，即便是同一張蜘蛛網上，也分布有性質不同、功能各異的蜘蛛絲，使蜘蛛在自然選擇的過程中幸存下來。

圓網蜘蛛的絲腺分布及其分泌的不同蛛絲（來源：參考文獻1）

蜘蛛絲的直徑只有幾微米，用細微、隱約、依稀來形容其柔若無物的狀態(tài)是非常貼切的。

然而，正是這若隱若現(xiàn)、隨風而動的蜘蛛絲，卻表現(xiàn)出了極優(yōu)異的力學性能，并成為推動高性能合成纖維的靈感來源。

人類對自然的觀察和學習是自古就有的，中世紀的人們就已經在蜘蛛網捕捉獵物時所起的作用中發(fā)現(xiàn)了蜘蛛絲有別于其他天然纖維的高強度、高彈性和高韌性。

如果從力學數(shù)據(jù)上進行直觀對比，蜘蛛大囊狀腺分泌的牽引絲（dragline silk）強度比高強尼龍和工業(yè)滌綸等高性能合成纖維更高。

等等，蜘蛛網一碰就破了，蜘蛛絲竟有這么強？要驗證這份懷疑，我們需要樹立這樣一種觀念，那就是不同腺體分泌的蜘蛛絲，強度差別很大??！

蜘蛛起源于4億年前的古生代泥盆紀，其進化史堪稱蜘蛛絲腺、絲器和蛛絲的演化史，蛛絲參與蜘蛛的各個生命過程，如制造卵袋、結網、飛航、交配、逃生、傳遞信息以及捆縛食物等。

可以說，蜘蛛因此才得以在生存競爭中脫穎而出。蜘蛛具有高度發(fā)達的絲腺，7種腺體分別連接于3對不同的紡絲器上，可分泌出不同的絲纖維。

前面提到的媲美人造高性能纖維的正是由大囊狀腺分泌的牽引絲，其高強度保證了蜘蛛的安全，因此被稱為“蜘蛛的生命線”。

02、蜘蛛絲為什么這么強？

蜘蛛絲的強度與其組成和結構有關。

蜘蛛絲主要由蛛絲蛋白組成，經蜘蛛體內的復雜過程形成多層的纖維，由外到內包括脂層、糖蛋白層、表皮層、外核和內核。

其中，表皮層起到防止內部蛋白質被酶分解的作用，保證纖維的完整性。而決定蜘蛛絲力學性能的關鍵是內核。

蜘蛛絲的組成結構（圖片來源：參考文獻4）

蜘蛛絲的內核主要是蛛絲蛋白，由不同種類和數(shù)量的氨基酸組成。

如果甘氨酸含量高，則蜘蛛絲的彈性模量和拉伸強度都變大；如果脯氨酸含量高，那么彈性模量會降低。此外，蛋白質的分子量和長度也會影響其力學性能。

不僅如此，蛋白質鏈可不是直直的一條線，它自身會發(fā)生折疊形成二級結構，靠的就是氨基酸中的化學基團彼此形成的氫鍵作用。

那么折疊成什么樣子才能提高蜘蛛絲的強度呢？不得不說蜘蛛絲的神奇之處在于，蛋白質折疊后會形成晶體區(qū)，就像一張微型的漁網上的結點。

在一根細小的蜘蛛絲內部，蛋白質形成的納米漁網結構可以很好地保持蜘蛛絲纖維的彈性。同時，在有外力作用在纖維上時，“漁網”又會將力分散在整個網絡中，不會集中在某一點，從而增強了蜘蛛絲的力學性能。

蜘蛛絲纖維的納米漁網結構（圖片來源：參考文獻4）

03、模仿蜘蛛吐絲分幾步？

不得不說，蜘蛛雖然不起眼，但它的生命智慧卻給人們帶來了靈感與啟迪。那么，要成功模仿蜘蛛吐絲，需要幾步？

首先，在了解了蜘蛛絲高強性能的原理基礎上，可以模仿蜘蛛絲的組成來獲得人工蜘蛛絲。這方面，利用基因工程和蛋白質工程的方法獲得組成相近的人造蜘蛛絲最有發(fā)言權。

當科研工作者們掌握了蜘蛛調控蛋白分泌的基因片段之后，便可以通過基因工程技術，將其導入微生物、植物或動物體內，利用這些生物生產相似的蛛絲蛋白。

進一步以其為原料，借助紡絲工藝，模擬蜘蛛紡絲的過程，纖維拉伸取向，可以提高人造蜘蛛絲的強度。

有些科研人員獨辟蹊徑，讓蠶吐出蜘蛛絲！近期，來自東華大學的科研人員利用CRISPR-Cas9基因編輯技術，將蛛絲蛋白基因引入蠶的DNA中，在蠶的腺體中表達蛛絲蛋白。這些由蠶“生產”的蜘蛛絲蛋白纖維的韌性，比用于制作防彈衣的凱夫拉纖維高6倍！

讓蠶吐出蛛絲，并非首創(chuàng)，但是各家自有秘而不宣的絕活?？蒲腥藛T的這項成果的背后，有巧妙的設計，更有持之以恒。

在這個實驗中最重大的挑戰(zhàn)之一便是將基因顯微注射到蠶的受精卵中，而這個工作，研究人員做了數(shù)十萬次。

讓蠶吐出超強蜘蛛絲（圖片來源：參考文獻5）

但是這種方法多少有些復雜，能不能全部用人工材料做蜘蛛絲呢？當然可以，聚合物就是很好的備選，畢竟聚合物無論從分子量還是從化學組成來說，都可以模仿蜘蛛絲。

用聚合物作為蜘蛛絲纖維的“納米絲線”，用納米粒子、石墨烯、碳納米管、超分子等模擬“漁網結點”就可以模仿得到蜘蛛絲的納米漁網結構。

請看人工合成的聚合物“納米漁網”是不是和蜘蛛蛋白挺像？紡成絲看看，別說，效果還不錯！

仿蜘蛛絲的人工纖維，聚合物作網，綠色的環(huán)狀超分子作結點，可以很好地提高纖維的強度（圖片來源：參考文獻6）

當人類脫離其他生物走向巔峰，往往會產生一覽眾山小的驕傲。然而，我們正是在適應自然、學習自然的過程中突破了種種壁壘。

蜘蛛之于我們，猶如蚍蜉之于大樹，但它卻為我們獲取高強材料提供了寶貴的靈感?；蛘哌@也告訴我們，無論何時，人與自然和諧相處，才是人間正道。

參考資料：

1.β‐Silks: Enhancing and Controlling Aggregation[J],Advances in Protein Chemistry,2006,73,17-53.

2.人造蜘蛛絲與仿蜘蛛絲纖維的研究進展. 紡織學報[J], 2021, 42, 174-179.

3.重組蛛絲蛋白的表達純化及絲纖維的性能研究. 東華大學[D], 2022.

4.Spider Silk-Inspired Artificial Fibers[J]. Adv. Sci. 2022, 9, 2103965.

5.High-strength and ultra-tough whole spider silk fibers spun from transgenic silkworms [J]. Matter, 2023, 6, 3661–3683.