蜘蛛丝的生物学

在动物学大楼的屋顶上，弗里茨·沃尔拉斯推开一个小温室的门走了进去。装满蛆虫和腐烂水果的特百惠容器散落在每一个可用表面上，腐烂的浓烈而令人作呕的气味充满了沃尔拉斯的鼻孔。但他忽略了这些一切安好的迹象：“太热了，”他说。不是为了门旁的棕榈树或高大的仙人掌，而是为了栖息在角落的尊贵的建筑师们。其中大多数是金丝织网蛛（Nephila）的一个物种。该物种的腹部有一英寸长，绿黑色带有黄色斑纹，有八条又细又长的腿。Nephila 是圆织网蛛，它们在沃尔拉斯的“蜘蛛房”里织的丝网里塞满了他想喂给它们的苍蝇。但蜘蛛本身看起来有点迟钝。沃尔拉斯打开一扇窗户来降温。窗户旁边有一个网，沃尔拉斯把网的主人拨到一个小塑料罐里。天黑后，那个地方会变得太冷，而且他需要一只蜘蛛带去格勒诺布尔的同步辐射装置。

沃尔拉斯是个英俊、健壮的男人，有着蓬乱的灰发，非常轻微的德国口音，当他用蜘蛛丝的事实让你惊叹时，他的脸会很容易地展露出满意的笑容。它确实是令人惊叹的东西。Nephila 丝的拉伸强度几乎与相同体积的钢相当，而每单位重量的强度则远大于钢。凯夫拉纤维比Nephila 丝难断三倍，但蜘蛛丝的弹性是凯夫拉纤维的五倍。凯夫拉纤维通过蛮力阻止子弹；Nephila 丝通过拉伸而不破断来阻止苍蝇。与往常一样，人类工程师落后于大自然优雅的解决方案。

不过，最近人类一直在努力追赶。蜘蛛丝不仅具有优异的机械性能；它是由可生物降解的蛋白质制成的，以水为溶剂，而不是使用有害的有机化学品。因此，寻找人工制造蜘蛛丝的方法具有强烈的经济和环境激励作用。（你无法像养蚕一样养殖蜘蛛，因为它们会互相吞食。）一些蜘蛛丝蛋白的基因片段已被克隆并插入到山羊体内，山羊通过它们的乳汁分泌这些蛋白质，并且就在今年，它们也被插入到烟草和马铃薯植物中，这些植物通过它们的叶子分泌这些蛋白质。Nexia Biotechnologies 公司在纽约北部的一个农场饲养山羊，甚至宣布推出一款名为 BioSteel 的产品——尽管该公司目前似乎只有人造蛋白质，而不是人造丝线。“这个领域有很多乐观的炒作，”沃尔拉斯说。

沃尔拉斯从 1974 年开始研究蜘蛛，十年前开始专注于蜘蛛丝。他很快发现，“它是一种极其有趣的材料，而且比人们认为的要复杂得多。” 已知的蜘蛛种类超过 34,000 种，每种蜘蛛都制造自己的丝，其中一些蜘蛛会为不同目的制造不同的丝。最坚韧的一种被称为牵引丝：它构成了蜘蛛网的框架，也是蜘蛛从树上或房子上跳下逃避鸟类时以每秒一米的速度疯狂 Spinning 的东西。

关于牵引丝的研究比任何其他种类的蜘蛛丝都要多，但仍远未被完全理解。一根这样的丝可能只有三到五微米宽。当沃尔拉斯开始研究它时，人们认为牵引丝是一种相对简单的复合材料，就像玻璃纤维一样，由漂浮在弹性橡胶基质中的硬化结晶蛋白片组成。但是，沃尔拉斯发现，那不是整个丝的结构；那是丝内单个纤维的结构——而可能存在数千根这样的纤维，每根只有几纳米宽，太小了以至于普通显微镜无法看到，并且可能以一种尚未分辨出的方式捆绑在一起。

“这就是它具有如此惊人的拉伸强度、如此完整的微观结构的原因，”沃尔拉斯说。“如果你要从桥上跳下来，你宁愿我给你一根橡皮筋还是和它总直径相同的 1000 根橡皮筋？这很直观——如果你有 1000 根，其中几根断了，仍然有足够的支撑你。”沃尔拉斯认为，蜘蛛的牵引丝通过分散在紧密堆积的纤维之间的长长的充水通道，变得更加抗断裂。这些通道可能有助于分散拉伸力，从而阻止即将产生的裂缝撕裂整个丝。

当然，蜘蛛丝的一些强度肯定来自于构成它的蛋白质分子。今年早些时候，加州大学河滨分校的约翰·盖茨比和谢丽尔·海亚西及其同事报告说，在他们研究过的所有圆织网蛛中，构成丝蛋白的长氨基酸链主要由某些重复序列组成——例如，由仅包含丙氨酸的氨基酸组成的长链。在大约 1.2 亿年前，当圆织网蛛分化成不同物种时，自然选择显然保持了这些重复序列的完整性，这表明这些序列很重要。例如，丙氨酸链非常擅长与其他丙氨酸链结合，使蛋白质分子能够像木筏上的原木一样并排连接，形成构成每根丝纤维核心的坚硬的片状晶体。“具有聚丙氨酸区域的丝是迄今为止测试过的最强的，”海亚西说。

通过放大镜（上）和显微镜（中、下）看到的菜园蜘蛛的丝，表面覆盖着吸引水分的氨基酸。随着水分积聚成珠，它会拉紧丝线，保持张力。摄影：Fritz Vollrath

但仅仅强大的蛋白质并不能构成强大的丝，就像仅仅好的原木不能构成好的木筏一样：它必须组装得当。“丝不是一种自组装材料，”沃尔拉斯说。“它具有非凡的性能，因为它是在一个非常精密的装置中 Spinning 的。”将成为牵引丝的蛋白质由长条状腺体的壁上的细胞分泌，然后它们作为水溶液被输送到一条长而盘绕的导管中。蛋白质分子会随着流动的方向排列，就像河流中的原木一样——它们变成液晶。在逐渐变细的导管中，这种“生丝”被拉长变细并浸泡在酸中；水分从中被提取并回收；蛋白质结合并固化。沃尔拉斯和他的同事大卫·奈特已申请了一项专利，一项他们不愿透露其秘密的装置，该装置复制了这一过程的一部分。但沃尔拉斯首先承认，没有人完全理解蜘蛛丝的复杂结构是如何从蜘蛛腹部的机器中产生的。

这就是为什么他时不时地带着一只金丝织网蛛去格勒诺布尔的同步辐射装置。在那里，他把蜘蛛固定在一个小平台上，给她喝牛奶让她高兴，因为她被粗暴地对待。然后，他用一个微型卷轴从她尾部拉出丝，有时一次可以拉八个小时。通过改变卷轴的速度，他可以改变她 Spinning 的速度，通过加热或冷却她的平台，他可以改变温度。同步辐射装置产生高能 X 射线，让沃尔拉斯能够观察这些变量和其他变量如何影响丝的内部结构——其整体想法是完善一种生产人造蜘蛛丝的方法，以免被人捷足先登。

“现在是一场竞赛，”沃尔拉斯说。“以前有人尝试过并放弃了，因为他们使用了缩小版的标准工业技术。你可以从模仿蜘蛛那里学到很多东西。”