蜘蛛絲的驚人力量 - 《華爾街日報》

插圖：托馬什·瓦倫塔*物理學家海倫·切爾斯基探索日常現象背後的複雜科學。*閲讀更多專欄請點擊此處。

萬聖節將至，過去幾周裏那些熟悉的恐怖意象已悄然潛入商店和家庭：女巫、黑貓、骷髏與蝙蝠。它們被選中來激發恐懼與厭惡——這些潛伏在黑暗中的神秘生物顯然不懷好意。

但其中一位成員——尤其是會結網的謙遜蜘蛛——因這些女巫聯想而蒙受了巨大冤屈。蜘蛛絲是地球上最非凡的材料之一，任何能編織它的蜘蛛（所有蜘蛛都能）理應獲得我們的讚歎與敬畏，而非恐懼。

蜘蛛是一座行走的工廠，能生產多達七種不同類型的絲線。它們通過腹部的紡器腺體分泌原材料，用於編織網巢、繭衣或警戒線，包裹獵物或懸吊於天花板。試想人造材料工廠：冒着濃煙的熔爐迷宮、潛在有毒成分、刺鼻煙霧和防護裝備。相比之下，蜘蛛能在瞬間製造出單位重量強於鋼鐵的材料，同時還具有驚人的彈性、可生物降解且可食用（有些蜘蛛會回收舊絲進食）。它們如何做到的？

蜘蛛絲的強度部分源自其構成的長鏈蛋白質，部分源於這些蛋白質在蛛絲從蜘蛛體內吐出時的排列方式。蛋白質形成後以被水包裹的液態球體形式儲存在囊中。當蜘蛛用腿從紡絲器中拉出絲線時，這些球體被擠壓進狹窄的管道。隨着它們在管道中前進，水分被排出，酸度增加。物理剪切力和化學變化開始使蛋白質有序排列，當它們最終排出時，剩餘水分蒸發，蛋白質固化成絲。具體的蛋白質排列方式決定了蛛絲的強度和延展性，蜘蛛會為網的不同部位使用不同類型的絲線。

蜘蛛絲直徑不足千分之一英寸，但在這細絲內部，保護性外殼內包裹着一束蛋白質纖維。部分蛋白質摺疊成僅幾納米寬的剛性晶體結構提供強度，這些晶體嵌在其他蛋白質組成的更雜亂基質中。這種基質使某些蛛絲能拉伸至原始長度的五倍而不斷裂，因為蛋白質螺旋在保持晶體位置不變的同時延展開來。

這種強度和柔韌性已足夠驚人，但結構中還隱藏着另一個玄機。當蛛絲受潮（例如被露水覆蓋）時，蛋白質會變得像橡膠一樣，繼而變寬縮短。這種效應會使蛛絲繃緊，如同轉動琴鍵調緊吉他弦。因此蜘蛛網在清晨會變得彈性十足、緊繃有力，經過一夜的自然調理煥然一新。人類科學家渴望製造人造蜘蛛絲用於醫療和製造業，但目前尚無人能複製蜘蛛日常展現的精妙技藝。

蛛網不過是蜘蛛廢棄的網，是那些對蜘蛛已失去用途的天然蛋白質雕塑。在漆黑的夜晚撞上它們並不特別愉快，但這些既脆弱又堅韌的結構存在的事實令人驚歎。所以下次當你看到萬聖節的蜘蛛網裝飾時，不妨想想那些真實存在於世界各地的蜘蛛，它們用非凡的材料特性編織着美麗的絲線，隱匿於黑暗中——並用它們所有的八隻眼睛注視着你。

原文刊登於2022年10月29日印刷版，標題為《蜘蛛絲真正令人毛骨悚然的力量》。