蜘蛛丝的惊人力量 - 《华尔街日报》

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》。