比钢铁更强 比凯夫拉尔纤维更韧 科学家揭秘世界上最坚韧的蜘蛛丝

许多科学家都渴望了解蜘蛛纺丝的非凡能力，这种丝线具有极高的强度、重量和柔韧性。事实上，蜘蛛丝的强度比钢铁还要高，比凯夫拉纤维还要坚韧。然而，目前还没有人能够复制蜘蛛的工作。

南丹麦大学的生物物理学家伊琳娜-伊阿奇娜（Irina Iachina）拿着金色球网蛛生产的丝纤维。图片来源：Anders Boe/南丹麦大学

如果我们能够研制出具有这些特性的合成材料，那么一个全新的世界就有可能出现： 人造蜘蛛丝可以在工业中取代凯夫拉尔、聚酯纤维和碳纤维等材料，例如用于制造轻质柔韧的防弹背心。

南丹麦大学（SDU）生物化学与分子生物学系的博士后、生物物理学家伊琳娜-伊奇娜（Irina Iachina）参与了这场寻找超级蛛丝配方的竞赛。她在南丹麦大学攻读硕士学位时就对蜘蛛丝非常着迷，目前她正在波士顿麻省理工学院研究这一课题，并得到了 Villum 基金会的支持。

南丹麦大学生物物理学家伊琳娜-伊奇娜（Irina Iachina）在电脑上研究蜘蛛丝。图片来源：Anders Boe/南丹麦大学

作为研究的一部分，她正在与南丹麦大学的副教授、生物物理学家乔纳森-布鲁尔（Jonathan Brewer）合作，后者是使用各种显微镜窥视生物结构的专家。

现在，他们首次共同使用光学显微镜研究了蜘蛛丝的内部结构，而无需以任何方式切割或打开蜘蛛丝。这项研究成果现已发表在《科学报告》和《扫描》杂志上。

乔纳森-布鲁尔解释说："我们使用了几种先进的显微镜技术，还开发了一种新型光学显微镜，可以让我们一直观察到纤维内部的情况。"

金眶网蜘蛛从后部生产蚕丝。图片来源：Anders Boe/南丹麦大学

迄今为止，人们已经利用各种技术对蜘蛛丝进行了分析，所有这些技术都提供了新的见解。然而，正如乔纳森-布鲁尔（Jonathan Brewer）指出的那样，这些技术也有缺点，因为它们通常需要将丝线（也称纤维）剪开，以获得用于显微镜检查的横截面，或者冷冻样品，这可能会改变丝纤维的结构。

伊琳娜-伊阿奇娜（Irina Iachina） 说："我们希望研究未经切割、冷冻或任何操作的纯净纤维。"为此，研究小组使用了相干反斯托克斯拉曼散射、共聚焦显微镜、超分辨共聚焦反射荧光损耗显微镜、扫描氦离子显微镜和氦离子溅射等侵入性较小的技术。

不同的研究显示，蜘蛛丝纤维至少由两层外层脂质（即脂肪）组成。在它们的后面，即纤维的内部，有许多所谓的纤维丝，这些纤维丝呈直线排列，紧密地并排在一起（见插图）。纤维的直径在 100 到 150 之间，低于普通光学显微镜的测量极限。

《科学报告》论文中的插图： 本研究中发现的蜘蛛丝纤维的拟议结构示意图（不按比例）。(A）纤维侧视图，（B）纤维横截面。外层是非导电的富脂层（绿色），厚度在 0.6 至 1 微米之间，内层是两个导电的自发荧光蛋白层：一个是 FITC 亲和力较强的蛋白层（蓝色），另一个是罗丹明 B 亲和力较强的蛋白层（橙色）。内部蛋白质核心由结晶纤维组成，平行于纤维长轴排列，周围是无定形的蛋白质区域。图片来源：南丹麦大学伊奇纳/布鲁尔。

伊阿奇娜说："它们并没有像人们想象的那样扭曲，因此我们现在知道，在尝试制造合成蜘蛛丝时，没有必要扭曲它们。"

伊奇娜和布鲁尔使用的蛛丝纤维来自马达加斯加金眶蜘蛛（Nephila Madagascariensis），这种蜘蛛生产两种不同类型的蛛丝： 一种被称为 MAS（Major Ampullate Silk fibers），用于构建蜘蛛网，也是蜘蛛用来悬挂的丝，算得上蜘蛛的生命线；它非常结实，直径约为 10 微米。

另一种被称为 MiS（Minor Ampullate Silk 纤维），是建筑的辅助材料。它更具弹性，直径通常为 5 微米。根据两人的分析，MAS 丝含有直径约为 145 纳米的纤维。而 MiS 的直径约为 116 纳米。每条纤维都由蛋白质组成，其中涉及多种不同的蛋白质。这些蛋白质是蜘蛛在制造丝纤维时产生的。

了解它们如何制造出如此强韧的纤维非常重要，但制造这种纤维也具有挑战性。因此，该领域的研究人员通常依靠蜘蛛为他们生产蚕丝。

或者，他们也可以求助于计算方法，这正是伊琳娜-伊奇娜目前在麻省理工学院从事的工作："现在，我正在对蛋白质如何转化为丝绸进行计算机模拟。当然，我们的目标是学习如何生产人造蛛丝，但我也有兴趣帮助人们更好地了解我们周围的世界。"