蜘蛛丝的直径只有几微米，用细微、隐约、依稀来形容其柔若无物的状态是非常贴切的。然而，正是这若隐若现、随风而动的蜘蛛丝，却表现出了极优异的力学性能，并成为推动高性能合成纤维的灵感来源。人类对自然的观察和学习是自古就有的，中世纪的人们就已经在蜘蛛网捕捉猎物时所起的作用中发现了蜘蛛丝有别其他天然纤维的高强度、高弹性和高韧性。如果从力学数据上进行直观对比，蜘蛛大囊状腺分泌的牵引丝（dragline silk）强度比高强尼龙和工业涤纶等高性能合成纤维更高。

等等，蜘蛛网一碰就破了，蜘蛛丝竟有这么强？要验证这份怀疑，我们需要树立这样一种观念，那就是不同腺体分泌的蜘蛛丝，强度差别很大啊！

蜘蛛起源于4亿年前的古生代泥盆纪，其进化史堪称蜘蛛丝腺、丝器和蛛丝的演化史，蛛丝参与蜘蛛的各个生命过程，如制造卵袋、结网、飞航、交配、逃生、传递信息以及捆缚食物等。可以说，蜘蛛因丝才得以在生存竞争中脱颖而出。蜘蛛具有高度发达的丝腺，7种腺体分别连接于3对不同的纺丝器上，可分泌出不同的丝纤维。前面提到的媲美人造高性能纤维的正是由大囊状腺分泌的牵引丝，其高强度保证了蜘蛛的安全，因此被称为“蜘蛛的生命线”。

蜘蛛的生命线

蜘蛛丝为什么这么强？

蜘蛛丝的强度与其组成和结构有关。蜘蛛丝主要由蛛丝蛋白组成，经蜘蛛体内的复杂过程称为多层的纤维，由外到内包括脂层、糖蛋白层、表皮层、外核和内核。其中，表皮层起到防止内部蛋白质被酶分解的作用，保证纤维的完整性。而决定蜘蛛丝力学性能的关键是内核。

蜘蛛丝的组成结构 图片来源：参考文献4

蜘蛛丝的内核主要是蛛丝蛋白，由不同种类和数量的氨基酸组成。如果甘氨酸含量高，则蜘蛛丝的弹性模量和拉伸强度都变大；如果脯氨酸含量高，那么弹性模量会降低。此外，蛋白质的分子量和长度也会影响其力学性能。

不仅如此，蛋白质链可不是直直的一条线，它自身会发生折叠形成二级结构，靠的就是氨基酸中的化学基团彼此形成的氢键作用。那么折叠成什么样子才能提高蜘蛛丝的强度呢？不得不说蜘蛛丝的神奇之处在于，蛋白质折叠后会形成晶体区，就像一张微型的渔网上的结点。在一根细小的蜘蛛丝内部，蛋白质形成的纳米渔网结构可以很好的保持蜘蛛丝纤维的弹性。同时，在有外力作用在纤维上时，“渔网”又会将力分散在整个网络中，不会集中在某一点，从而增强了蜘蛛丝的力学性能。

蜘蛛丝纤维的纳米渔网结构  图片来源：参考文献4

模仿蜘蛛吐丝分几步？

不得不说，蜘蛛虽然不起眼，但它的生命智慧却给人们带来了灵感与启迪。那么，要成功模仿蜘蛛吐丝，需要几步？

首先，在了解了蜘蛛丝高强性能的原理基础上，可以模仿蜘蛛丝的组成来获得人工蜘蛛丝。这方面，利用基因工程和蛋白质工程的方法获得组成相近的人造蜘蛛丝最有发言权。当科研工作者们掌握了蜘蛛调控蛋白分泌的基因片段之后，便可以通过基因工程技术，将其导入微生物、植物或动物体内，利用这些生物生产相似的蛛丝蛋白。进一步以其为原料，借助纺丝工艺，模拟蜘蛛纺丝的过程，纤维拉伸取向，可以提高人造蜘蛛丝的强度。

有些科研人员独辟蹊径，让蚕吐出蜘蛛丝！近期，来自东华大学的科研人员利用CRISPR-Cas9基因编辑技术，将蛛丝蛋白基因引入蚕的DNA中，在蚕的腺体中表达蛛丝蛋白。这些由蚕“生产”的蜘蛛丝蛋白纤维的韧性，比用于制作防弹衣的凯夫拉纤维高6倍！

让蚕吐出蛛丝，并非首创，但是各家自有秘而不宣的绝活。科研人员的这项成果的背后，有巧妙的设计，更有持之以恒。在这个实验中最重大的挑战之一便是将基因显微注射到蚕的受精卵中，而这个工作，研究人员做了数十万次。