蜘蛛絲為何堅(jiān)韌無(wú)比？全靠蜘蛛這個(gè)小動(dòng)作→

電影《蜘蛛俠2（Spider-Man 2）》劇照

你或許曾在《蜘蛛俠》電影中驚嘆于彼得·帕克射出的神奇蛛絲——它能拉起失控的列車(chē)，編織成比鋼鐵更堅(jiān)韌的防護(hù)網(wǎng)，甚至讓超級(jí)英雄在城市天際線間自由擺蕩。

在自然界，蜘蛛絕對(duì)是一位低調(diào)的“材料大師”。它們用肉眼不可見(jiàn)的纖細(xì)蛛絲編織出比防彈衣更堅(jiān)韌的網(wǎng)，這種看似脆弱的絲線中藏著令科學(xué)家癡迷百年的秘密。

最近，美國(guó)西北大學(xué)的團(tuán)隊(duì)終于破解了這道“蛛絲密碼”，事實(shí)上，蜘蛛在吐絲時(shí)用后腿輕輕一拽的動(dòng)作，竟是一場(chǎng)分子級(jí)別的精密鍛造。

蜘蛛：纖維設(shè)計(jì)的天然大師

蜘蛛絲是蜘蛛腹部末端的紡器分泌出來(lái)的蛛絲蛋白和輔助蛋白遇到空氣固化，聚合成的絲狀物，用于織網(wǎng)或組建其他結(jié)構(gòu)。

蜘蛛絲可作為粘性陷阱捕捉獵物、在蜘蛛捕獵前纏住和束縛獵物、傳遞觸覺(jué)信息，或作為巢穴或繭保護(hù)后代。

蜘蛛可以用絲從高處懸掛自己、在空中漂浮或滑翔以躲避捕食者。大多數(shù)蜘蛛根據(jù)其用途會(huì)改變絲的厚度和粘性。

科學(xué)家長(zhǎng)期關(guān)注蜘蛛絲研究，因其性能卓越：強(qiáng)度超過(guò)同等直徑的鋼材，韌性優(yōu)于凱夫拉（Kevlar）纖維，彈性堪比橡膠，是材料界的“六邊形戰(zhàn)士”。蜘蛛絲是最強(qiáng)的有機(jī)纖維，其可生物降解的特性更使其成為醫(yī)用理想材料。

例如，可用作手術(shù)縫合線或傷口閉合粘合膠，隨后這些材料可在體內(nèi)無(wú)害自然降解。但通過(guò)養(yǎng)殖蜘蛛獲取天然蛛絲成本高昂、能耗巨大且操作困難。因此，實(shí)驗(yàn)室人工合成蛛絲材料成為研究重點(diǎn)。

多年來(lái)已有研究人員成功改造微生物生產(chǎn)蛛絲蛋白，通過(guò)手工拉伸工程蛛絲，已制出與蛛絲媲美的人工纖維。盡管我們掌握了蛛絲“配方”，紡絲過(guò)程如何改變纖維結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度仍是未解之謎。

蜘蛛絲強(qiáng)化機(jī)制：拉伸誘導(dǎo)的分子有序化

模擬拉伸絲纖維圖

西北大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了拉伸如何改變蛋白質(zhì)的順序、蛋白質(zhì)之間的連接以及纖維內(nèi)分子的運(yùn)動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn)，蜘蛛在紡絲過(guò)程中后肢的拉伸動(dòng)作，本質(zhì)上會(huì)使蛋白質(zhì)“排列整齊”，從而增加了纖維的整體強(qiáng)度。

他們還發(fā)現(xiàn)拉伸可以增加氫鍵的數(shù)量，氫鍵充當(dāng)了構(gòu)成纖維的蛋白質(zhì)鏈之間的橋梁，有助于提高纖維的整體強(qiáng)度、韌性和彈性。與剛產(chǎn)生的蛛絲相比，拉伸至初始長(zhǎng)度六倍的蛛絲強(qiáng)度會(huì)大幅提升。

這項(xiàng)研究不僅破解了蜘蛛絲的力學(xué)密碼，更展現(xiàn)了跨學(xué)科研究的強(qiáng)大生命力。從分子生物學(xué)的基因編輯，到流體力學(xué)的紡絲工藝，再到材料科學(xué)的性能優(yōu)化，多領(lǐng)域的知識(shí)融合催生了革命性技術(shù)突破。

在未來(lái)，蜘蛛絲將涉及我們生活的方方面面，從手術(shù)室的無(wú)痕縫合到火星基地的輕量化建材，這條源自蜘蛛紡器的絲線，正在編織一個(gè)更堅(jiān)韌、更可持續(xù)的未來(lái)。

當(dāng)我們驚嘆于蛛絲的性能時(shí)，更應(yīng)深思其背后的自然智慧。蜘蛛不是等待被模仿的對(duì)象，而是跨越億萬(wàn)年時(shí)空的導(dǎo)師。它們的紡器里旋轉(zhuǎn)的不只是絲線，更是一套歷經(jīng)自然選擇淬煉的生存策略——用最少資源獲取最大效益，在滿足功能需求的同時(shí)與生態(tài)系統(tǒng)和諧共存，這正是人類工程學(xué)追求的終極目標(biāo)。

人類或許無(wú)需幻想外星科技或反重力引擎，地球生命用38億年寫(xiě)就的代碼庫(kù)中，藏著無(wú)數(shù)待解的技術(shù)密碼。正如蛛絲研究揭示的真理，最偉大的創(chuàng)新，往往始于對(duì)自然謙卑的觀察。

參考資料：

[1]https://scitechdaily.com/stronger-than-steel-tougher-than-kevlar-spider-silks-secret-finally-revealed/

[2]https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250307144702.htm

[3]https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr3833

[4]https://en.wikipedia.org/wiki/Spider_silk

編譯：楊雨鑫

策劃：劉穎 張超 李培元 楊柳

審核：國(guó)家動(dòng)物博物館科普主管 王傳齊