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蜘蛛丝

第三节蜘蛛丝

蜘蛛丝是一种天然高分子蛋白纤维和生物材料。

纤维具有很高的强度、弹性、伸长、韧性及抗断裂性，同时还具有质轻、抗紫外线、比重小、耐低温的特点，是其它纤维所不能比拟的。

纤维初始模量高、断裂功大、韧性强，是加工特种纺织品的首选原料。

蜘蛛丝由蛋白质组成，是一种可生物降解且无污染的纤维。

蜘蛛丝纺织品的生产可追溯至18世纪，最具代表性的是1710年巴黎科学院展出的蜘蛛丝长统袜和手套，这是人类历史上第一双用蜘蛛丝织成的长统袜与手套；1864年美国制作了另外一双薄蛛丝长统袜，所用的蛛丝是从500个蜘蛛喷丝头中抽取出来的，这种长统袜由于太薄而不能穿；1900年巴黎世界博览会上展示了用2.5万只蜘蛛吐出的9.14万米长的丝织成的一块长16.46m、宽0.46m的布，该产品花费太高，没有带来商业利润。

到1997年初，美国生物学家安妮·穆尔发现，在美国南部有一种被称为“黑寡妇”的蜘蛛，它吐出的丝比现在所知道的任何蜘蛛丝的强度都高。

蜘蛛丝特殊的结构和性能已引起世界各国的关注，并在纺织、医疗卫生和军事领域产生了极其重要的影响。

目前，国内外许多科学家已通过基因工程将蜘蛛的基因移植到其它动植物体内，从而使蜘蛛丝纤维实现工业化生产的梦想成为现实。

一、蜘蛛丝的组成

蜘蛛丝产生于蜘蛛体内特殊的分泌腺，这些分泌腺因蜘蛛的种类不同而各异。

到目前为止，生物学家共发现了7种类型的分泌腺，常见的有葡萄腺、梨状腺、壶状腺、叶状腺、集合腺等。

蜘蛛的种类繁多，会吐丝结网的大约有2万多种。

按吐丝种类的多少，蜘蛛可分为古蛛亚目、原蛛亚目和新蛛亚目。

古蛛亚目的蜘蛛只能吐出一种丝；原蛛亚目的蜘蛛可吐出3种丝；新蛛亚目的蜘蛛可吐出7种丝。

一般来说，新蛛亚目所有的蜘蛛都会有7种丝腺，各种丝腺分别能吐出不同性质的蜘蛛丝（见表1-6）。

蜘蛛丝的主要成份是蛋白质，其基本组成单元为氨基酸。

蜘蛛丝中含17种左右的氨基酸，各种氨基酸的含量因蜘蛛的种类不同而存有一定的差异。

蜘蛛丝中含量最高的7种氨基酸的总和约占其总量的90%，它们分别为甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸、脯氨酸、丝氨酸、亮氨酸和精氨酸（见表1-7）。

表1-6圆蛛族7种丝腺吐丝及其性质

丝腺名

丝种类

功能与性质

大囊状腺

牵引丝

蜘蛛用于悬挂自身,强度最大

放射状丝

无粘性,作为从网心向外辐射

框丝

有粘性,作为网外框与树身相连

小囊状腺

牵引丝框丝

葡萄状腺

捕获丝

猎物触网后,用于缠绕、捕获猎物

管状腺

卵茧丝

用于织造产褥,形成卵茧

鞭毛状腺

横丝

即螺旋丝,在纵丝中间相连,弹性大、粘性强,可以粘附猎物

梨状腺

附着盘

集合状腺

横丝表面的粘性物质

表1-7不同种类蜘蛛丝的主要氨基酸组成（%）

氨基酸（主壶腹腺）

十字圆蛛

大腹圆蛛

络新妇蛛

甘氨酸

41.30

35.30

48.69

丙氨酸

18.30

17.88

24.85

谷氨酸

11.86

12.73

10.49

脯氨酸

9.55

12.68

2.15

丝氨酸

4.74

4.90

2.11

亮氨酸

1.76

1.35

2.63

精氨酸

0.49

1.55

1.94

蜘蛛的种类很多，不同蜘蛛丝的氨基酸组成差异很大。

目前，对蜘蛛产生的各种丝的组成和结构仅有有限的信息和数据，大多数的研究是关于络新妇属蜘蛛（Nephliaclavipe）腹状腺纺出的蜘蛛丝，又称为蜘蛛的牵引丝（dragline）。

与蚕丝一样，蜘蛛丝的主要成分是一种叫做蜘蛛素的特殊蛋白质，其成分与蚕丝中的丝蛋白相似。

这种蛋白质内合有大量的丙氨酸（约占25%）和甘氨酸（约占40%）。

研究发现，含丙氨酸的蛋白分子排列成紧密的折皱结构，呈晶体状，是造成蜘蛛丝异常坚固的原因；而含甘氨酸的蛋白分子的排列却显得杂乱无章，从而使得蜘蛛丝有极好的弹性和扩张性，这就是蜘蛛丝既坚又韧的原因。

二、蜘蛛丝纤维的结构

（一）蜘蛛丝的形态

蜘蛛丝呈金黄色，具有透明外观，在超倍电子显微镜下，看起来与蚕丝很相似。

它的超分子结构是由原纤组成，而原纤由120nm的微原纤组成，微原纤则是由蜘蛛丝蛋白构成的高分子化合物。

蜘蛛丝的形态结构见图1-3。

纤维的横截面呈圆形或接近圆形，表面没有水溶性物质和丝胶；纵向形态有明显的收缩，丝中央有一道凹痕。

蜘蛛丝在水中有较大的溶胀性，截面会发生膨胀而径向则会发生明显的收缩。

蜘蛛丝是单丝，直径只有几微米，物理密度接近羊毛。

蜘蛛的腺液离开蜘蛛体后，会立刻成为固体，形成一种蛋白质丝，固化后的蜘蛛丝不溶于水，并具有其他纤维无法比拟的性能。

（a）横截面形态结构　（b）纵向表面形态

图1-3蜘蛛丝的形态结构

蜘蛛丝具有皮芯层结构，皮层和芯层可能是由两种不同的蛋白质组成的，皮芯层分子排列的稳定性也不同，皮层蛋白的结构更稳定。

蜘蛛丝的皮层和芯层是由腺体的2个不同区域组成的，皮层液状蛋白为六角形的柱状液晶，液晶状的皮层在外力的作用下，容易取向排列，且皮层凝固速度高于芯层，所以皮层拉伸效果比芯层好，同时皮层分子排列的规整程度高于芯层，因此皮层化内层致密，对纤维有很好的保护作用，这使蜘蛛丝能表现出较高的强度和韧性。

蜘蛛丝纤维在外力作用下分子链会逐渐伸直，致密的皮层能使纤维的断裂有一个缓冲过程，同时在外力继续作用下，芯层的原纤和原纤内的分子链能够沿着外力作用方向取向、重排和形成新的结合，所以皮层这种致密结构使得拉伸过程中纤维的各部分都能够被有效利用，这也是蜘蛛丝断裂伸长大的主要原因。

（二）蜘蛛丝的微观结构

蜘蛛的蛋白质分子构象为β-折叠链，分子链沿着纤维轴线的方向呈反平行排列，相互间以氢键结合，形成曲折的栅片，其多肽链排列整齐、密集形成结晶区。

尺寸为2nm×5nm×7nm的纳米微晶体，占蜘蛛丝纤维总质量的10%左右，它是分散在蜘蛛丝无定形蛋白质基质中的增强材料。

由于蜘蛛丝的晶粒如此之小，以至于纤维在外界拉力作用下随着类似于橡胶的无定形区域的取向增加，蜘蛛丝晶体的取向度也随之增加。

当纤维拉伸度为10%时，纤维结晶度不变，结晶体的取向增加，横向晶体尺寸（即垂直于纤维轴向）有所减少，这是任何合成纤维的结构随拉伸形变无法实现的特性。

蜘蛛丝的微观结构模型可以这样描述：

由柔韧的蛋白质分子链组成无定型区，再由一定硬度的棒状微粒晶体起增强作用。

这些晶体由疏水性的聚丙氨酸排列的β-折叠片层组成，折叠片层中分子在氢键作用下相互平行排列。

另一方面，甘氨酸富集的聚肽链组成了蜘蛛丝蛋白中的无定形区，无定形区内的聚肽链间通过氢键交联，构成了类似橡胶分子的网状结构。

由蜘蛛丝的结构模型可以看出，由于结晶区内多肽链分子间的氢键作用，分子间作用力很大；而沿着纤维轴线方向排列的晶区结构又使外力作用时有更多的小晶区能承受外力作用，这是使得蜘蛛丝具有很高的强度的原因。

同时，由于蜘蛛丝的结晶度为10%~15%，比蚕丝（50%~60%）小得多，而非结晶区则比蚕丝大得多。

因此，可以认为蜘蛛丝具有良好弹性的主要原因是非结晶区的贡献。

此外，非结晶区分子呈β转角状，当受到拉伸力作用时可能会形成β转角螺旋，这也赋予了蜘蛛丝良好的弹性。

图1-4蜘蛛丝的显微电镜图

人们早就发现蜘蛛丝能吸收振动能量，并能使机械能转变成热量—假如不是这样，则飞行苍蝇和蝴蝶撞上蜘蛛网时就会被弹回到相反方向。

蜘蛛丝为何具有这些特性，长期以来一直无人知晓。

美国加利福尼亚研究机构的物理学家和生物学家组成的研究小组揭开了蜘蛛丝的秘密，他们在显微镜下发现蜘蛛丝是一根极细的螺线，看上去像长长的浸过液体的“弹簧”（图1-4）。

当“弹簧”被拉长时它会竭力返回原有的长度，但是当它收缩时液体会吸收全部剩余能量，同时使机械能转变成热量。

（三）蜘蛛丝的成丝过程

图1-5蜘蛛的纺丝管

蜘蛛吐丝的过程基本相似，以十字圆蜘蛛为例，在十字圆蜘蛛的前腹部有用来形成蛛丝纤维的壶状腺。

壶状腺由3部分组成、中心小囊、一条很长的弯管和出口。

蜘蛛在拉丝时，小囊内部的细胞会分泌出许多露珠状的粘液，粘液中含有两种蜘蛛素蛋白。

当这些黏液流到小囊的下部时，下部的细胞会分泌出另一种蛋白质，即糖蛋白与之混合，从而形成液态晶体结构的纤维。

然后，这些黏稠的液体便向出口流动。

此时，各种蛋白质内的长分子会沿着纤维的中心线平行地排列，并由分子间形成的氢键连接，最后完成蜘蛛丝的原料制备并向纺丝器输出。

纺丝器位于蜘蛛腹部的中、后部，是最终“出产”蜘蛛丝的地方。

纺丝器上有许多像喷头形状的纺丝管（图1-5），蜘蛛丝就是从这里喷出来的。

纺丝管的数量因蜘蛛种类的不同而各异，数量最多的是一种线纹冒头蜘蛛，它身上的纺丝管有9600根，一根蜘蛛丝就是由无数纺丝器上喷出的细丝合并成的。

三、蜘蛛丝的性能

（一）蜘蛛丝的力学性能

①断裂性能

蜘蛛丝的物理密度是1.34g/cm3，与蚕丝和羊毛接近。

蜘蛛丝最吸引人的地方是其具有优异的力学性能，即高强度、高弹性、高柔韧性、高断裂能。

由表1-8可以看出，大腹圆蜘蛛的牵引丝、框丝和外层包卵丝的断裂强度均比蚕丝丝素大，断裂伸长是丝素的3～5倍，断裂比功也比丝素大得多。

蜘蛛丝的断裂强度虽然不及钢丝和用于制造防弹衣的高性能纤维Kevlar，但是其断裂伸长是钢丝的5～10倍，是Kevlar的10～20倍，其断裂功比钢丝和Kevlar大得多。

此外，纤维有较高的干湿模量，在干湿态下都具有高拉伸强度和高延伸度。

表1-8大腹圆蛛的各种丝与其他纤维的力学性能比较

试样

断裂强度/（cN/mm²）

断裂伸长/

（%）

断裂比功/（cN/mm²）

截面积/

（µm²）

牵引丝

713.8

37.5

134.8

20.28

框丝

678.6

83.1

258.4

39.59

内层包卵丝

816.0

50.8

311.7

46.98

外层包卵丝

488.4

46.2

178.2

95.80

丝素

565.3

13.7

53..3

67.93

钢丝

2000.0

8.0

0.3

/

Kevlar

4000.0

4.0

26.0

/

②剪切性能

蜘蛛丝很细，其横向压缩能力要比其它纤维差，纤维有很大的各向异性。

蜘蛛丝有很强的扭转性能，其剪切强度比其它纤维（包括凯夫拉）要高得多，具有很高的扭转稳定性。

③弹性

蜘蛛丝具有良好的弹性，当伸长至断裂伸长率的70%时，弹性恢复率仍可高达80%~90%。

（二）蜘蛛丝的耐热性

蜘蛛丝有良好的耐高温、低温性能。

据报导，蜘蛛丝200℃下表现出很好的热稳定性；在300℃以上才变黄，并开始分解；在零下40℃时仍有弹性，只有在更低的温度下才会变硬。

在有高温、低温使用需求的场合下，蜘蛛丝纤维的优点非常显著。

（三）蜘蛛丝的化学性能

蜘蛛丝是一种蛋白质纤维，具有独特的溶解性，不溶于水、稀酸和稀碱，但溶于溴化锂、甲酸、浓硫酸等。

对蛋白水解酶具有抵抗性，不能被其分解。

遇高温加热时可以溶于乙醇。

蜘蛛丝所显示的橙黄色遇碱加深，遇酸则褪色。

它的微量化学性质与蚕丝相似。

蜘蛛的腺液离开身体后马上形成固体，成为一种蛋白质丝，这种蛋白丝不溶于水。

蜘蛛丝可以生物降解和回收，不会对环境造成污染。

四、蜘蛛丝纤维的生产方法

科学家们发现：

蜘蛛的天然共存性很差，它们会自相残杀，同类相食。

如果通过大量饲养繁殖蜘蛛的方法来获取蜘蛛丝是无法满足生产需要的。

随着生物技术、遗传基因技术的发展，通过对蜘蛛丝蛋白和腺体分泌物的研究，科学家们成功地制造出了蜘蛛丝蛋白的合成基因，利用这种基因可生产出与天然蜘蛛丝蛋白相似的产品，这一研究成果，使得大规模生产人工合成蜘蛛丝成为可能。

从分类学的角度出发，这种人工合成的蜘蛛丝应属于再生蛋白质纤维。

目前，蜘蛛丝生产的方法有以下几种：

（1）牛、羊乳蜘蛛丝

利用生物技术、转基因技术使奶羊或奶牛与蜘蛛“联姻”，将蜘蛛的蛋白基因注入奶牛或奶羊，其产