蜘蛛侠与丝绸之路

蜘蛛侠靠什么成为惩恶除奸的超级英雄？正义？力量？还是他那套蜘蛛装？即使算上这些，如果没有他手里的那束来去自如的蜘蛛丝，他想在摩天大楼间潇洒地飘来荡去就连门都没有，你能想象一个挤52路公共汽车去英雄救美的蜘蛛侠么？

蜘蛛丝属于天然丝的一种，而我们对天然丝的认识基本上都来自于丝绸。丝绸由蚕丝织造而成。这种白色小虫以生命之力吐出的丝线洁白、柔软、光滑，织出的布料具有优雅的手感与迷人的光洁，罗马人对其着迷不已，这种迷恋程度之深要用一条连接东西方、绵延一千年的贸易之路方能穿透。其实何止罗马人，全世界都为丝绸疯狂，即使进入了人工纺织材料不断涌现的工业化时代，天然丝绸仍然价格不菲，而所有的人工丝料也莫不以蚕丝马首是瞻。

与蚕丝相比，蜘蛛丝就没那么光鲜亮丽和值得炫耀的历史，这种令大多数人感到不舒服的八脚昆虫也能把丝织的天花乱坠，但是谁也没有动过养些蜘蛛来抽丝的念头，直到19世纪英国物理学家托马斯.杨（ Thoms Young ）提出一种方法用以比较各种东西强度大小。杨提出的方法就是测量所谓的杨氏模量（以他的名字命名，自然，但是其实这个概念在他之前就由意大利物理学家Riccati提出了）。取一根横截面积为 S ，长度为 L 的金属丝，如果在这根金属丝的两端加上大小为 F 的拉力，金属丝在这个拉力的作用下肯定会伸长，假设它伸长了 ΔL ，虽然这个 ΔL 很微小，但是通过一些方法还是可以测量出来的，现在计算一下

这个杨氏模量 E 的大小就标志着这根金属丝的强度。据此可以测出不同物质的 E 值，E 越大就表明这种物质的强度越大，能够抵抗更大的外力而不断裂（具体含义请看这里）。很多人实际上在中学都学过这个公式的另一版本，如果将它写成

你应该能看出来这就是胡克定律 F = k ΔL，这个定律是我们摆弄弹簧时总结出来的，比较上述两个公式可以看出弹簧的倔强系数 k 与弹簧的横截面积 S 和长度 L 有关，课本上说的没错，而杨氏模量 E 则与这二者无关，只与物质种类有关。

很快各种物质的杨氏模量都被测量出来了，包括蜘蛛丝和蚕丝，结果很意外，从强度上看，蜘蛛丝才是真正光芒四射的珍宝，最好的蜘蛛丝其杨氏模量可以高达 800 Gpa，而我们用以建筑摩天大楼的钢筋最高也才 200 Gpa，也就是说同样长度、同样粗细的蜘蛛丝要比钢筋强 4 倍，而风光无限的天然蚕丝的杨氏模量只有 10 GPa，与蜘蛛丝相比可谓有天壤之别。实际上蜘蛛丝的强度是如此只好，以至于一束铅笔粗细的蜘蛛丝可以拉住一架飞行中的波音747客机让其完全停住（ 当然有一些前提条件，一个有趣且颇为详细的计算可见这里 ）

从生物材料学上看，蚕丝和蜘蛛丝都主要是由丝心蛋白构成的，那为何两者的力学性质相差如此之大呢？这个问题一直吸引和困扰着生物力学、生物材料学研究者，最近新加坡大学的一个研究小组对此提出了自己的解释。蚕丝和蜘蛛丝的生物结构都很类似，下面这张示意图上半是蜘蛛丝的结构，下半是蚕丝的结构

插图引自 Xiang Wu et al. arXiv:0902.3518v1

途中灰色的小方形是丝心蛋白排列成的晶体结构，被称为 β-薄片，蚕丝和蜘蛛丝就是由很多这样的薄片连接而成，而蚕丝想较之于蜘蛛丝在各个薄片之间还多了一种称为α-螺旋的结构，该研究小组将薄片看成小球，将连接薄片的丝心蛋白看成弹簧（见上图中部和下部的模拟图），则蚕丝多出来的螺旋结构就相当于在各个薄片之间加进一些更小的弹性小球。 他们用这样的模型对蚕丝和蜘蛛丝在外力作用下的伸展性质做了计算机模拟，结果和实验吻合的很好，如果他们的结论是正确的，也许能帮助我们更好地认识和仿制蜘蛛丝和蚕丝，也许某一天我们人人都可以身穿蜘蛛服在半空中荡来荡去，搜寻着英雄救美的机会，谁知道呢？