蜘蛛丝的惊人力量 - 《华尔街日报》
Helen Czerski
插图:托马什·瓦伦塔*物理学家海伦·切尔斯基探索日常现象背后的复杂科学。*阅读更多专栏请点击此处。
万圣节将至,过去几周里那些熟悉的恐怖意象已悄然潜入商店和家庭:女巫、黑猫、骷髅与蝙蝠。它们被选中来激发恐惧与厌恶——这些潜伏在黑暗中的神秘生物显然不怀好意。
但其中一位成员——尤其是会结网的谦逊蜘蛛——因这些女巫联想而蒙受了巨大冤屈。蜘蛛丝是地球上最非凡的材料之一,任何能编织它的蜘蛛(所有蜘蛛都能)理应获得我们的赞叹与敬畏,而非恐惧。
蜘蛛是一座行走的工厂,能生产多达七种不同类型的丝线。它们通过腹部的纺器腺体分泌原材料,用于编织网巢、茧衣或警戒线,包裹猎物或悬吊于天花板。试想人造材料工厂:冒着浓烟的熔炉迷宫、潜在有毒成分、刺鼻烟雾和防护装备。相比之下,蜘蛛能在瞬间制造出单位重量强于钢铁的材料,同时还具有惊人的弹性、可生物降解且可食用(有些蜘蛛会回收旧丝进食)。它们如何做到的?
蜘蛛丝的强度部分源自其构成的长链蛋白质,部分源于这些蛋白质在蛛丝从蜘蛛体内吐出时的排列方式。蛋白质形成后以被水包裹的液态球体形式储存在囊中。当蜘蛛用腿从纺丝器中拉出丝线时,这些球体被挤压进狭窄的管道。随着它们在管道中前进,水分被排出,酸度增加。物理剪切力和化学变化开始使蛋白质有序排列,当它们最终排出时,剩余水分蒸发,蛋白质固化成丝。具体的蛋白质排列方式决定了蛛丝的强度和延展性,蜘蛛会为网的不同部位使用不同类型的丝线。
蜘蛛丝直径不足千分之一英寸,但在这细丝内部,保护性外壳内包裹着一束蛋白质纤维。部分蛋白质折叠成仅几纳米宽的刚性晶体结构提供强度,这些晶体嵌在其他蛋白质组成的更杂乱基质中。这种基质使某些蛛丝能拉伸至原始长度的五倍而不断裂,因为蛋白质螺旋在保持晶体位置不变的同时延展开来。
这种强度和柔韧性已足够惊人,但结构中还隐藏着另一个玄机。当蛛丝受潮(例如被露水覆盖)时,蛋白质会变得像橡胶一样,继而变宽缩短。这种效应会使蛛丝绷紧,如同转动琴键调紧吉他弦。因此蜘蛛网在清晨会变得弹性十足、紧绷有力,经过一夜的自然调理焕然一新。人类科学家渴望制造人造蜘蛛丝用于医疗和制造业,但目前尚无人能复制蜘蛛日常展现的精妙技艺。
蛛网不过是蜘蛛废弃的网,是那些对蜘蛛已失去用途的天然蛋白质雕塑。在漆黑的夜晚撞上它们并不特别愉快,但这些既脆弱又坚韧的结构存在的事实令人惊叹。所以下次当你看到万圣节的蜘蛛网装饰时,不妨想想那些真实存在于世界各地的蜘蛛,它们用非凡的材料特性编织着美丽的丝线,隐匿于黑暗中——并用它们所有的八只眼睛注视着你。
原文刊登于2022年10月29日印刷版,标题为《蜘蛛丝真正令人毛骨悚然的力量》。