徒手停火車 蜘蛛俠的蛛絲真的有這麼厲害?


(圖片來源:影片海報)

和以往所有蜘蛛俠系列電影一樣,蜘蛛俠繼續發揮他上天入地和飛簷走壁的超能力,所依靠的還是他自己發明的神器——蛛網發射器。每當面臨危急時刻,蜘蛛俠就會啟動藏在手心處的蛛網發射器開關,快速地從蛛網發射器中噴出粘性液體,在遇到空氣後迅速固化,形成蛛絲一樣的繩索。

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(動圖來源:https://giphy.com/)

而蛛絲的威力相信大家已經在前幾部影片中領略過了。它不僅能拽著蜘蛛俠在高樓林立的城市半空中自由穿梭,逍遙快活地盪著鞦韆。

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(動圖來源:https://giphy.com/)

還能幫助蜘蛛俠徒手拉住高速運行的火車。

(動圖來源:作者製作)

甚至把被劈開的巨型輪船拉在一起。

(動圖來源:作者製作)

憑藉著這細細的蛛絲,蜘蛛俠多次挽狂瀾於既倒,扶大廈之將傾,救百姓於水火,深刻詮釋了什麼叫俠之大者,為國為民。

現實中的蛛絲和電影里相比毫不遜色

不過你可能會說,這畢竟是科幻大片中的橋段,電影想怎麼拍就怎麼拍,不過是導演和編​​劇一拍腦門的事,現實世界中的蜘蛛絲隨便拿一根竹竿就能把它挑斷,怎麼可能有這麼結實?其實,自然界中的蜘蛛絲的結實程度和影片中的比起來可以說是毫不遜色,它之所以很容易就被挑斷,原因只有一個——太細了!

六種蛛絲以及蛛絲上懸掛的用於捕捉獵物的粘性液滴(圖片來源:參考文獻(1,2))

上圖分別為艾蛛(Cyclosa turbinate)、三帶金蛛 (Argiope trifasciata)、 金蛛(Argiope aurantia) 以及只在國外分佈的三種蜘蛛的蛛絲在顯微鏡下的圖片。

蜘蛛絲的直徑一般不到0.01mm(10微米),比我們的頭髮絲還要細上四五倍,所以總是給人一種吹彈可破的印象。它的直徑已經超出了我們肉眼所能看到的最小尺寸。其實,我們日常所見到的蜘蛛絲並不只是裸露的純蜘蛛絲,而是表面掛滿了蜘蛛分泌的用來捕獲食物的粘性液滴。

當蜘蛛絲變得足夠粗時,效果就截然不同了。蜘蛛絲具有高達

的斷裂強度,是人體骨骼的135倍,高強度合金鋼的25倍,鑽石的6倍。比我們目前已知並應用的所有天然絲和人造絲的斷裂強度都要大。拿同樣粗細的蜘蛛絲和鋼絲進行拉伸試驗,扯斷蜘蛛絲所需的能量比扯斷鋼絲所需的能量要足足大上100 倍。

以我國特有的十字園蛛為例,有研究表明,當它的蛛絲達到和鉛筆一樣粗時,甚至可以拉住一架自重180噸、正以每秒80米速度降落的波音747飛機!

蜘蛛俠徒手停火車需要多大拉力?

我們進一步以《蜘蛛俠2》中最為經典的片段——蜘蛛俠徒手停火車為例。來自英國萊斯特大學的詹姆斯·福斯特等人計算了在這一過程中,蜘蛛俠的蛛絲所需要承受的拉力。

他們以一輛4節R160型號的紐約地鐵為模型進行計算,每節車廂滿載為246人,四節車廂的車和人的總重量大約為200噸。影片中的地鐵正在全速行駛,時速約為24米/秒,蜘蛛俠大概在50秒內將它平穩安全地停下,這需要蛛絲給它30万牛頓的拉力。以下圖中蛛絲之於蜘蛛俠手臂的比例可以大致估算出:蛛絲的直徑大概為1.75毫米,由此可以算出,蜘蛛俠的蛛絲的拉伸強度至少為3.12 x 1010 Pa,是人體骨骼的240倍,高強度合金鋼的45倍,鑽石的11倍!

(圖片來源:http://app.tongbu.com及作者製作)

雖然這一強度要求的確超出了普通蜘蛛絲強度的最大值,但也並不是完全把蜘蛛家族所有成員“按在地上摩擦”,達爾文樹皮蛛就完全能hold住。

達爾文樹皮蛛(圖片來源:https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bark_Spider_2011.jpg)

蜘蛛中最強的織網王者:達爾文樹皮蛛

達爾文樹皮蛛發現於馬達加斯加的Andasibe-Mantadia國家公園,並於2009年以生物學家達爾文的名字命名,以此來紀念他的代表作《物種起源》發表150週年。

達爾文樹皮蛛吐的絲強度達到了12×1010 Pa。如果說普通蜘蛛的蛛絲強度在目前已知的所有天然絲和人造絲中難覓對手,那達爾文樹皮蛛的蛛絲強度已然到了獨孤求敗的程度。這種蛛絲的硬度是杜邦公司生產的人造纖維材料凱夫拉(廣泛用於坦克、裝甲車以及防彈衣)的十倍,幾乎可以同時逼停四輛影片中的地鐵。達爾文樹皮蛛還編織出了所有蜘蛛中最大的網,寬度達到了25米。而你可能會覺得這種蜘蛛一定是個龐然大物,實則不然,雌蛛身長不到2cm,只有指甲蓋般大小;雄蛛的體積就更小了,只有雌蛛的五分之一。

五級結構成就蜘蛛網超強韌性

蜘蛛絲之所以有如此高的強度和韌性,與蜘蛛絲內部巧妙獨特的分級結構密不可分。

蜘蛛絲的分級結構(圖片來源:參考文獻(8,9,10)及作者加工)

首先,蜘蛛絲的一級結構是由氨基酸分子之間通過氫鍵(分子之間的一種相互作用力)彼此緊密相連形成的氫鍵β-鏈,氫鍵β-鏈再通過氫鍵相互連接夠成蛛絲的二級結構——氫鍵β-片狀納米晶體。

氫鍵β-片狀納米晶體嵌入到半無定型狀態的β-轉角多肽鏈中形成α-螺旋結構,也就是蛛絲的三級結構——蛋白質納米複合結構。這一結構是蛛絲呈現高強度和高彈性的關鍵因素,使得蛛絲在拉伸、彎曲等形變過程中既能有足夠的相互作用力彼此牽引咬合,又能給蛛絲提供足夠的活動空間,使其能產生較大的形變而不至於斷裂。

由數百條三級結構形成的絲原纖維被包裹層、外表皮捆綁在一起,發揮合力作用,進一步放大了蛛絲的韌性和強度,最終形成了直徑在微米級的四級結構——蜘蛛絲以及由蜘蛛絲編織成的五級結構——蜘蛛網。

蜘蛛絲應用前景廣闊但難以商業化應用

蜘蛛絲具有高彈性、高韌性、高吸水性、質量輕和可生物降解等諸多優點,使得它在很多領域,如:航空航天領域(人造衛星的結構材料及復合材料和宇航服)、軍事領域(坦克、裝甲、飛機,防彈衣和降落傘等)、工業領域(高強度材料,車輪外胎等)、醫學領域(人造組織或器官、可降解手術縫合線等生理組織和生物材料)以及紡織領域(服飾、圍巾等)都有著巨大的應用前景。

但是迄今為止,蜘蛛絲的商業化應用還沒有實現,這是因為蜘蛛不同於家蠶可以大規模人工飼養,蜘蛛具有自相殘殺、同類相食的特性。你可能注意到,生活中很難見到一張蛛網上同時生活著兩隻蜘蛛。不過隨著科技的發展,科學家利用轉基因技術,將蜘蛛絲注入到蠶卵中,這樣在家蠶的基因鏈中就有了蜘蛛吐絲的基因,利用這種“借雞下蛋”轉基因技術,有望實現蜘蛛絲的大規模生產製備。

現實世界中的蜘蛛由於相貌多醜陋猙獰,常常令人毛骨悚然、避之不及,這種形象和影片中英俊善良的蜘蛛俠簡直“判若兩蛛”。

實際上,相對於人類的生活生產而言,大部分蜘蛛還是屬於益蟲的。因為它不破壞糧食莊稼,既能捕食蒼蠅、蚊子等害蟲,又能入藥。即便極少數蜘蛛帶有一定的毒性也很難帶來致命的傷害,人被蜘蛛傷而致死的機率甚至比被蜜蜂蟄死的機率還要小得多。

在大多數情況下,蜘蛛絕不會主動攻擊人類。即便攻擊人類,蜘蛛的牙齒也很難刺穿人的皮膚,所以我們不能因為人家長得醜就“以貌取蛛”,這是很不客觀、很不科學的。

比如下面圖片中的那位高腳白額蛛,它之於蟑螂好比中國人之於小龍蝦,可以說是蟑螂的頭號天敵,並且能一次捕食多只蟑螂。它來者不拒,抱住就啃,之後大快朵頤。另外,它生性膽小,喜歡潛入人類住宅中,晝伏夜出而且不結網,可謂人畜無害,逐漸成為居家生物防治滅蟑的寵兒(當然僅限於半夜醒來,看到這東西倒掛在天花板上,嘴裡還叼著一隻小強的屍體抱著啃,都還能睡得著的人)。

(動圖來源:作者製作)

參考資料:

(1) Opell B D, Hendricks M L. The role of granules within viscous capture threads of orb-weaving spiders(J). Journal of Experimental Biology, 2010, 213(2): 339-346.

(2)蔣平, 吳麗華, 江麗琴, 等. 蜘蛛絲的組成結構與生物學功能(J). 動物學雜誌, 2014, 49(5): 778-791.

(3)https://physics.le.ac.uk/journals/index.php/pst/article/view/548/354

(4) https://zhuanlan.zhihu.com/p/22923889

(5)http://news.bbc.co.uk/earth/hi/earth_news/newsid_9001000/9001866.stm

(6)http://www.nephilidae.com/mk/articles/Kuntner&Agnarsson2010.pdf

(7)高茜斐. 蜘蛛絲的研究進展(J). 廣東化工, 2017, 44(14): 126-127.

(8)Keten S, Xu Z, Ihle B, et al. Nanoconfinement controls stiffness, strength and mechanical toughness of β-sheet crystals in silk(J). Nature materials, 2010, 9(4): 359.

(9)Tarakanova A, Buehler M J. A materiomics approach to spider silk: protein molecules to webs(J). Jom, 2012, 64(2): 214-225.

(10) Buehler M J. Tu (r) ning weakness to strength(J). Nano Today, 2010, 5(5): 379-383.

(11) 董晶, 趙坤偉, 程金亮, 等. 蜘蛛絲纖維的研究現狀與展望(J). 現代紡織技術, 2019 (1): 4.

(12) Agnarsson I, Dhinojwala A, Sahni V, et al. Spider silk as a novel high performance biomimetic muscle driven by humidity(J). Journal of Experimental Biology, 2009, 212(13): 1990-1994.

(13) https://en.wikipedia.org/wiki/Ultimate_tensile_strength

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