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蜘蛛丝

2018-07-20 15:59:26    
正在取丝结网的鬼蛛。
一只金蛛正以其蜘蛛丝包裹网上的猎物。

蜘蛛丝是由蜘蛛所分泌抽出的纤维,其主要成分是蛋白质。蜘蛛利用它们所生产的蜘蛛丝建造蜘蛛网以捕捉猎物,或建构巢穴或卵囊作为蜘蛛或子代的保謢场所。蜘蛛也可以利用自己的蜘蛛丝将自己悬吊着,以保护自己。

大多数的蜘蛛并不只有一种蜘蛛丝。蜘蛛腹部具有多种腺体专门分泌丝蛋白,通称为丝腺。不同之丝腺会分泌不同的蛋白质,经由各自的通道,最末于丝疣将丝蛋白拉出而成为蜘蛛丝。丝蛋白在蜘蛛体内为液态,但经由丝疣开口时,由于压力的作用,丝蛋白分子会重新排列而成为固态之丝蛋白1

许多蜘蛛幼体会利用蜘蛛丝作为飞翔的工具以进行迁徙23。它们将蜘蛛丝喷向空中,借由风力将自己带离原地。虽然这种迁徙方式的距离大多数米之远,但极可能是蜘蛛迁徙至不同岛屿的方式。许多水手曾指出当他们在海中航行时可以在风帆上捉到蜘蛛。

在某些情况下,蜘蛛可能将蜘蛛丝当作食物。大多数的结网蜘蛛会在蜘蛛网不堪使用时以摄入蜘蛛丝的方式回收蜘蛛网4。姬蛛科(Theridiidae)中有多种寄居于其它结网蜘蛛之物种,平时会偷窃宿主蜘蛛网上的猎物,或是直接摄入宿主的蜘蛛网上的蜘蛛丝作为食物5

人类已知如何以人工的方式从蜘蛛身上抽取蜘蛛丝6。此动作乃将蜘蛛上下颠倒并固定其身体及步足,再利用镊子等细物从丝疣附近拉出蜘蛛丝。若需要抽出大量的蜘蛛丝,可利用马达等机械代替双手以持续拉丝。

目录

  • 1 性质
  • 2 种类与功能
  • 3 组成
  • 4 应用
  • 5 参考资料
  • 6 外部链接

性质

蜘蛛丝以其强韧的物理性质闻名。蜘蛛丝的强度(单位截面积下的张力)比高品质的钢还大,且和许多人造之芳香族聚酰胺纤维之强度不相上下,如特威隆英语Twaron纤维或克维拉纤维等。更重要的是,蜘蛛丝的质量极小:能环绕地球一圈长度的蜘蛛丝之质量仍不达500公克7

蜘蛛丝亦具有极佳的延展性,可以延伸其长度至原长度的140%仍不断裂。蜘蛛丝可以在摄氏零下40度的温度仍维持高强度。蜘蛛丝的韧性(单位体积下断裂所需之能量)极大且与当今商业贩售之人造芳香族聚酰胺纤维(如芳香性尼龙)相提并论,然而这些人造纤维已经是现代人造聚合纤维科技的标准代名词了8 9

另外,蜘蛛丝还可以进行方向性的集水,使水在纳米纤维节点周围不断凝结,然后被输送到周期性的纺锤日语紡錘节上,并被积聚成大水滴10

种类与功能

大多数的蜘蛛(乃指新蛛亚目,即Araneomorphae)来说具有至少六种蜘蛛丝。不同的蜘蛛丝由不同之丝腺所生产,再经由各自的通道,最终由丝疣之处拉出。不同的蜘蛛丝也具有不同的物理性质,以达成不同的功能或建构复杂的蜘蛛网。

大壶状腺丝 
大壶状腺丝(major ampullate silk)是由大壶状腺所分泌,并由前丝疣拉出。其主要功能为蜘蛛随时都会牵引著的曳丝(drag silk)、蜘蛛圆网上的辐射状丝(radius silk)及骨架丝(frame silk)。曳丝是蜘蛛的保命绳索,避免蜘蛛突然坠落时直接坠落至地表;圆网上的纵丝及骨架丝都是作用于承受圆网上的张力,尤其是猎物冲撞上网的时候。因此,作用于这些功能时,丝必须能够承受较大的张力且不容易断裂,所以大壶状腺丝的物理性质也偏向强且硬,但缺点是延展性较低。
小壶状腺丝 
小壶状腺丝(minor ampullate silk)由小壶状腺(minor ampullate gland)分泌,主要的功能与大壶状腺丝相似,但也是蜘蛛结网时暂时辅助性的鹰架,帮助蜘蛛在蜘蛛网上时固定身体与定位。
鞭状腺丝 
鞭状腺丝(flagelliform silk)由鞭状腺(flagelliform gland)分泌,其主要作用于圆网上螺旋状丝(spiral silk)的轴心。当猎物上网时,猎物冲撞的能量主要由辐射状丝所承受,而具有黏性的螺旋状丝则负责将猎物纠缠住以防止猎物逃脱。为避免蜘蛛网上的猎物容易挣脱,鞭状腺作为横丝的轴心丝,虽然并不具有黏性,但具有极高的延展性使丝被拉扯再长也不易断裂。如此一来,任凭猎物再怎么拉扯,横丝依然不断地持续纠缠住猎物。
聚状腺丝 
聚状腺丝(aggregate silk)由聚状腺(aggregate gland)分泌,负责生产黏液包覆在螺旋状丝的外部。这些水珠状的黏液,会一球一球地包覆在鞭状腺丝外侧,而达成螺旋状丝的黏性。
葡萄状腺丝 
葡萄状腺丝(aciniform silk)由葡萄状腺(aciniform gland)分泌。当蜘蛛逮到猎物时,蜘蛛会用第四对步足一次拉出一排一排的葡萄状腺丝将猎物包覆,使猎物不易挣扎而伤害到蜘蛛本身。换句话说,葡萄状腺丝就是猎物的裹尸袋。也因此,葡萄状腺丝具有很大的韧性,也就是需要较多的能量才能拉断它。此外,有些结网蜘蛛会在网上制作隐带(stabilimentum)。这些隐带是缠绕在网目上的丝,形成一片一片的“装饰物”,也正是以葡萄状腺丝制作。
管状腺丝 
管状腺丝(tubuliform silk)由管状腺(tubuliform gland)分泌。蜘蛛产卵时,雌蛛会先以蜘蛛丝制作一个卵囊,并将卵产在卵囊中使卵得到保护。管状腺的主要功能就是制作卵囊。为避免被其它动物吃掉卵囊内的卵,管状腺丝在所有不同蜘蛛丝之中具有最高的硬度。

组成

蜘蛛丝之结构。在典型的蜘蛛丝中,紧密的结晶β折叠被松散的非结晶次级结构所连结。

蜘蛛丝是由复杂的蛋白质分子所构成,但不易探究其分子结构。简单来说,蜘蛛丝蛋白结构中具有结晶及非结晶结构,前者可增加蜘蛛丝的物理性强度及硬度,而后者增加蜘蛛丝的延展性。

应用

目前,科学家正在积极探寻蜘蛛丝在纺织业、医疗和军事方面的应用。

蜘蛛丝的可能应用领域

纤维特性

可能运用

透湿防水与柔软度

衣着纺织品、织物

高韧性、轻量

耐化学药品性

复合材料、耐高冲击力材料

航太复合材料

军事应用、防弹背心、绳索、钓鱼线

天文望远镜内准线

能量吸收转换

耐水性

复合材料、耐高冲击力材料

帆船、滑翔翼之风帆

生体适合性(生物相容性)

抗菌

医疗用途

缝合线、人工韧带、人工皮肤等外科植入材料

奈米尺寸纤维

人工眼角膜材料

磁性和导电材料

遇水超收缩

高敏感度湿气侦测器

参考资料

  1. ^ Foelix, Rainer R. Biology of Spiders 2nd edition. Oxford University Press. 1996: pp. 112–115. ISBN 0-19509593-6. 
  2. ^ Spiders By Ann R. Heinrichs. Google Books. She observes that the so called ballooning is like a kite or balloon; she is mechanically correct about the kite part, as no true balloon is ever formed by the spider as told in the other references.
  3. ^ Flying Spiders over Texas! Coast to Coast. Chad B., Texas State University Undergrad: He correctly describes the mechanical kiting of spider "ballooning". 互联网档案馆的存档,存档日期2011-11-26.
  4. ^ Spider Silk. School of Chemistry – Bristol University – UK. 2007-05-22. 
  5. ^ Miyashita, Tadashi; Yasunori Maezono, Aya Shimazaki. Silk feeding as an alternative foraging tactic in a kleptoparasitic spider under seasonally changing environments. Journal of Zoology. March 2004, 262 (03): 225–229 2007-05-22. doi:10.1017/S0952836903004540. 
  6. ^ An Apparatus and Technique for the Forcible Silking of Spiders
  7. ^ Spider dragline silk has a tensile strength of roughly 1.3 GPa. The tensile strength listed for steel might be slightly higher – e.g. 1.65 GPa. 1失效链接Shao, Z. Vollrath, F. Materials: Surprising strength of silkworm silk. Nature. August 15, 2002, 418: 741. doi:10.1038/418741a. , but spider silk is a much less dense material, so that a given weight of spider silk is five times as strong as the same weight of steel.
  8. ^ Vollrath, F. Knight, D.P. Liquid crystalline spinning of spider silk. Nature. 2001, 410: 541. doi:10.1038/35069000. 
  9. ^ Properties, Uses and Production
  10. ^ 研究员发现蜘蛛丝的方向性集水效应. 人民网. 2010年2月11日 2010-06-10 (中文(简体)‎). 
  11. ^ Zhao, Yue; Hien, Khuat Thi Thu; Mizutani, Goro; Rutt, Harvey N. Second-order nonlinear optical microscopy of spider silk. Applied Physics B. June 2017, 123 (6): 188. arXiv:1706.03186. doi:10.1007/s00340-017-6766-z. 

外部链接

  • Graphics, sketches, and microscope shots (with descriptions) of spinnerette subsystems, from biomimetic research at Clemson.edu, p. 2 of 4.
  • NASA determines that spiders in the microgravity of outer space lessen the diameter of their silk.
  • News from Isracast.com reports that the "holy grail" of material engineering has been attained: synthetic dragline silk (2004, with geneticist Uri Gat).
  • J.M. Gosline, JM; Guerette, PA; Ortlepp, CS; Savage, KN. The mechanical design of spider silks: From fibroin sequence to mechanical function. Journal of Experimental Biology. 1999-12-01, 202 (23): 3295–303. PMID 10562512. 
  • Hayashi, C. Y.; Blackledge, TA; Lewis, RV. Molecular and Mechanical Characterization of Aciniform Silk: Uniformity of Iterated Sequence Modules in a Novel Member of the Spider Silk Fibroin Gene Family. Molecular Biology and Evolution. 2004, 21 (10): 1950–9. PMID 15240839. doi:10.1093/molbev/msh204. 

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