人类利用
蜘蛛丝(spider silk)始于1909年,在
第二次世界大战时蜘蛛丝曾被用作望远镜、枪炮的瞄准系统中光学装置的十字
准线,但20世纪90年代后开始对蜘蛛丝蛋白基因组成、结构形态、
力学性能等有了深入研究,为蜘蛛丝商业化生产提供了可能性。
形成
蜘蛛的肚子里有许多丝浆,它的尾端有很小的孔眼。结网的时候,蜘蛛便将这些丝浆喷出去。丝浆一遇到空气,就凝结成有粘性的丝,用它所结成的网,无论什么飞虫,一撞上就别想再跑掉。而蜘蛛的身上和脚上经常分泌出一层
油质,粘丝是不粘油的。但是,一般飞虫是没有这层油质的,所以,蜘蛛网能牢牢地粘住飞虫却粘不住蜘蛛。
特点介绍
蜘
蛛丝对昆虫来说是非常强大的。蜘蛛丝的
理化性质与蚕丝相比,具有非常明显的优势,在力学强度方面,蜘蛛丝纤维与强度最高的
碳纤维及高强合纤Aramid、
Kevlar,等强度相接近,但它的韧性明显优于上述几种纤维。因此,蜘蛛丝纤维在国防、军事(
防弹衣)、建筑等领域具有广阔应用前景。天然蜘蛛丝主要来源于结网,产量非常低,而且蜘蛛具有
同类相食的个性,无法像
家蚕一样
高密度养殖。所以要从天然蜘蛛中取得蛛丝产量很有限。随着现代
生物工程发展,用
基因工程手段人工合成蜘蛛丝蛋白是一种新突破,不久有可能形成具有一定规模的人工蜘蛛丝纤维生产厂。
成分
蜘蛛丝的主要
化学成分是
甘氨酸(
NH2-CH2-COOH)、
丙氨酸(NH2-CH[CH3]-COOH)已及小部分的
丝氨酸(NH2-CH[
CH2OH]-COOH),加上其它
氨基酸单体
蛋白质分子链构成。外观上又细又柔软的蜘蛛丝之所以具有弹性和强度,其原因在于:一方面,蜘蛛丝中具有不规则的蛋白质分子链,这使蜘蛛丝具有弹性;另一方面,蜘蛛丝中还具有规则的蛋白质分子链,这又使蜘蛛丝具有强度。
基因方法
长期以来,科学家一直在研究大量制造蜘蛛丝的方法。
丹麦阿赫斯大学的研究人员发现:蜘蛛造丝的蛋白质与酸接触时,它们之间相互叠合,连接成链状,从而使丝的强度大大增加。美国麻省的国家
陆军生物化学指挥中心和
加拿大魁北克市内克夏
生物科技公司( Nexia Biotechnologies)从蜘蛛身上抽取出蜘蛛基因植入
山羊体内,让
羊奶具有蜘蛛丝蛋白,再利用特殊的纺丝程序,将羊奶中的蜘蛛丝蛋白纺成人造基因蜘蛛丝,这种丝又称为
生物钢(Bio-Steel)。用这种方法生产的人造基因蜘蛛丝比钢强4至5倍,而且具有如蚕丝般的柔软和光泽,可用于制造高级
防弹衣。生物钢的用途广泛,还能制造战斗飞行器、坦克、雷达、卫星等装备的
防护罩等。
能力
据科学家研究试验,一束由蜘蛛丝组成的绳子比同样粗细的
不锈钢钢筋还要坚强有力。它能够承受比钢筋还多5倍的重量而不会被折断。虽然一些蜘蛛丝细如头发,但你可别轻视它的能力和作用!蜘蛛丝非常富有弹性,一条直径只有万分之一毫米的蜘蛛丝,可以伸长两倍以上才会拉断。另蜘蛛丝由蛋白质组成,只要丝浆不完可以想要多长就抽多长,理论上可以边喂蜘蛛边抽蜘蛛丝。
结构
来,让我们一起来看一下
蛛网的结构。虽然不同种类的
蜘蛛所织的网常有差异,但是一般都有放射状的蜘蛛丝和椭圆形的蜘蛛丝两种。蜘蛛在结网时,会先构筑放射状的骨架丝线———纵丝。纵丝主要是支撑
蜘蛛网结构的,强度大,但无黏性。在骨架完成后,蜘蛛会接着以
逆时针的方向织造螺旋状丝线,科学家称其为横丝。如果仔细观察,就会发现横丝上有水珠似的凸起,它们被称为黏珠,其黏性让误闯入的
昆虫难以脱身。 蜘蛛的高明之处就是它能吐出不同种类的丝。蜘蛛的腹部尾端一般有6至8个纺丝器,与每个纺丝器对应的是蜘蛛身上功能各异的腺体,每个腺体能产生不同的丝线原料,蜘蛛视需要而吐出不同的原料,从而织造出黏的和不黏的两种丝线。蜘蛛在网上活动时,会选择在没有黏性的纵丝上,避免被粘住。
种类与功能
大多数的蜘蛛(乃指
新蛛亚目,即Araneomorphae)来说具有至少六种蜘蛛丝。不同的蜘蛛丝由不同之
丝腺所生产,再经由各自的通道,最终由丝疣之处拉出。不同的蜘蛛丝也具有不同的
物理性质,以达成不同的功能或建构复杂的
蜘蛛网。
大壶状腺丝
大壶状腺丝(major ampullate silk)是由大壶状腺所分泌,并由前丝疣拉出。其主要功能为蜘蛛随时都会牵引著的曳丝(drag silk)、蜘蛛圆网上的辐射状丝(radius silk)及骨架丝(frame silk)。曳丝是蜘蛛的保命绳索,避免蜘蛛突然坠落时直接坠落至地表;圆网上的纵丝及骨架丝都是作用于承受圆网上的张力,尤其是猎物冲撞上网的时候。因此,作用于这些功能时,丝必须能够承受较大的张力且不容易断裂,所以大壶状腺丝的物理性质也偏向强且硬,但缺点是
延展性较低。
小壶状腺丝
小壶状腺丝(minor ampullate silk)由小壶状腺(minor ampullate gland)分泌,主要的功能与大壶状腺丝相似,但也是蜘蛛结网时暂时辅助性的鹰架,帮助蜘蛛在
蜘蛛网上时固定身体与定位。
鞭状腺丝
鞭状腺丝(
flagelliform silk)由鞭状腺(flagelliform gland)分泌,其主要作用于圆网上螺旋状丝(spiral silk)的轴心。当猎物上网时,猎物冲撞的能量主要由辐射状丝所承受,而具有黏性的螺旋状丝则负责将猎物纠缠住以防止猎物逃脱。为避免蜘蛛网上的猎物容易挣脱,鞭状腺作为横丝的轴心丝,虽然并不具有黏性,但具有极高的延展性使丝被拉扯再长也不易断裂。如此一来,任凭猎物再怎么拉扯,横丝依然不断地持续纠缠住猎物。
聚状腺丝
聚状腺丝(aggregate silk)由聚状腺(aggregate gland)分泌,负责生产黏液包覆在螺旋状丝的外部。这些水珠状的黏液,会一球一球地包覆在鞭状腺丝外侧,而达成螺旋状丝的黏性。
葡萄状腺丝(aciniform silk)由葡萄状腺(aciniform gland)分泌。当蜘蛛逮到猎物时,蜘蛛会用第四对
步足一次拉出一排一排的葡萄状腺丝将猎物包覆,使猎物不易挣扎而伤害到蜘蛛本身。换句话说,葡萄状腺丝就是猎物的裹
尸袋。也因此,葡萄状腺丝具有很大的韧性,也就是需要较多的能量才能拉断它。此外,有些结网蜘蛛会在网上制作隐带(stabilimentum)。这些隐带是缠绕在网目上的丝,形成一片一片的“装饰物”,也正是以葡萄状腺丝制作。
管状腺丝
管状腺丝(tubuliform silk)由管状腺(tubuliform gland)分泌。蜘蛛产卵时,雌蛛会先以蜘蛛丝制作一个卵囊,并将卵产在卵囊中使卵得到保护。管状腺的主要功能就是制作卵囊。为避免被其它动物吃掉卵囊内的卵,管状腺丝在所有不同蜘蛛丝之中具有最高的硬度。