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

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(Nephlia clavipe)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

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2 nm×5 nm×7 nm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