微量应：为了蜘蛛丝数量的快速增长，人们开始设计基因序列，**代的模型将蛋白质结构与丝的机械性质联系起来。但尽管基因序列能预测沿蛋白质主链方向的平均尺寸，对于蜘蛛丝机械性能的进一步理解需要有关丝中不同蛋白的相互作用以及在所有层次上的全部结构信息。并且，尽管蜘蛛的种类不多，但到目前为止只有2―3种蜘蛛丝蛋白基团得到确认（在一些摇蚊的丝中，已确认大量不同蛋白质对应的基因），分流和接合允许蜘蛛用相当少的基因子码产生大量蜘蛛丝蛋白。而且，在蜘蛛的七种不同腺体内的不同表达形成了有不同组成和性能的丝纤维。

　　至少有一种蜘蛛丝蛋白的多肽编码中含有不同数量的结晶状聚氨基丙酸和半晶状甘氨酸。虽然，人们对蜘蛛丝纤维中包含晶区和结晶区的观点是一致的，但对于富含甘氨酸区域的结构还不完全了解。事实上，认为牵引丝由P折叠晶体组成并分布在无规卷曲的弹性橡胶状模型中的传统观念己受到挑战。在这之后的研究认为蜘蛛丝有可能包含无规卷曲、卩转角、平行或反平行（3折叠、a螺旋或更为紧凑的左手3（1）螺旋等构造。（见附注3）在我们能完全复制丝之前，必须确定多肤链的二次结构及蛋白质组分的高次结构。如目前的研究表明，单善。当然，人造丝对于乡村的天然丝生产者来说可能存在经济上的威胁，但总体利益仍将超出其成本和不利因素，尤其是当我们可以从农产品中获得这些新技术纤维的原料时。例如，可以从羊奶中获得蜘蛛牵引丝的主要蛋白。

　　为了成功地模拟蝴蛛牵引丝，我们必须掌握原料蛋白的关键特征和纺丝过程。分子生物学提供了提取、合成和组装人工基因以满足蜘蛛丝生产对原料的要求，而传统的形态学研究则提供了蜘蛛纺丝系统的详细构造。这两个生物学科的结合可以为先进和良好的纤维纺丝技术首先进行实验性的设计，再与加工工程学结合*终达到产品的商业化。要实现这一目标将有一场科技革新，尽管对天然产品进行工业化复制已有许多实例，但象蜘蛛这样复杂的天然加工系统完全地从基因到商业化商品的复制还是**次。

　　功以Nephila牵引丝为蜘蛛高级纺丝技术的例子，假定对这类蜘蛛的纺丝过程已充分了解，井可能代表了所有圆蛛牵引丝的纺制。给出了纺丝管不同部分的图解说明，蜘蛛吐丝的结构类似于人造纤维纺丝技术中的纺丝组件。

　　分泌牵引丝的大囊状腺包含一个长长的尾部和一个较大的液囊。后部是分泌“纺丝液”的主要部分，该溶液包含了使丝纤维溶入水中的蛋白分子，液囊为主要的贮藏容器，通过“漏斗”进人圆锥形的导管，许多纤维都在这一导管中形成，导管的外壳内部有三个环圈，在终端有一个阀根蜘蛛丝有一个复杂的“外层-皮层-芯层”结构，井有微原纤包围细的通道，这些通道可能将通过丝纤维而受到的载荷偏移，而使纤维具有能量分散的性能。这种结构的复杂性可能对蝴蛛丝的禚性有重要作用，所以当设计和纺制生物纤维时必须要考虑这一点。

　　二、纤维的纺制门，经过阀门后，丝蛋白在狭窄的管形区域被进一步处理，水分快速恢复，然后丝从纺丝口出来，该处有一灵活的尖形物紧紧地围绕着丝纤维，它能帮助保存水份。腺体的尾部和液囊大约有60mm长，当充满时，每对腺体有10mg重，为一只瘦弱的成年雌蛛重量的1%.腺体的分泌部分有二个性质不同的横向区域，A区为尾部和液囊的**部分，B区从液襄的*宽的区域一直通到漏斗处。A区的上皮细胞由一种长长的柱状分泌细胞组成，并被分泌腺的小粒包裹（见，插图A）。这些细胞的产品含有水分并有很大的粘性，通常是含约50%蛋白的黄色液体，该液体大多为SpidrionI和n型，是蜘蛛牵引丝的主要蛋白。由A区分泌的溶液并不是均匀的液体，而是包含了许多与蚕丝腺体内液状绢相似的小的球状液滴，这些液滴沿整个尾部和液囊流动，并认为它们是在被牵伸为长而细的结构前凝聚而成的。当A区分泌物流向漏斗处时被B区分泌的无色粘稠均匀液体包覆。尽管B区的细胞表面上类似于A区（见，插图B），但它们包含了不同的分泌腺拉，许多都充满了六角形柱状液晶材料。考虑到这些区域的大小和位置，可以假定，相对较多的A区分泌Spdrion（s），而相对较小的B区分泌包覆用蛋白，可以从组织化学角度确认腺体中的糖类蛋白，从生物化学角度确认丝中的糖类蛋白，糖类蛋白可通过保持高的含水量来增加丝的塑性。

　　在大囊状腺中以及纺丝管的**、第二环圈内，蜘蛛丝液象蚕丝一样是液晶状的，主要的丝蛋白以紧凑的构象形式存在使其可在高浓度下处理。液晶具有令人满意的性能，使丝蛋白分子可以有效地纺制成纤维。尤其是在蜘蛛的腺体和纺丝管内分子形成了向列相，也就是说，它们形成了一种象液体一样的物质但保留了晶体的取向特征，相邻分子链轴线间几乎互相平行，因此当分子形成复杂的排列状态时，液晶的存在使粘性丝蛋白溶液缓慢流过液囊和纺丝管。在蜘蛛的腺体内，棒状丝蛋白分子或分子集合体的长轴好象垂直于上皮细胞壁，但随距离增加逐渐弯曲直到它们沿液囊中线排列并平行于长轴。这一排列从腺体到纺丝管的**环圈都存在，但在纺丝管的第二环困处变成一个更为复杂的组织，该处较狭窄的腔迫使分子往复交替弯曲，称为细胞旋光组织。当向列型液晶被约束在狭窄的管内时，通常能看到这一排列。这种类型的液晶形成了双分子层毛细管，在毛细管内棒状分子与管平面垂直，似乎是丝蛋白分子垂直排列在上皮细胞壁并且连续的向列相贯穿整个丝腺且与其长轴平行排列，纺丝管阻止了液晶状纺丝液的破碎，这反过来又会阻止旋转位移的形成，在固态晶体中产生了类似于错位的缺陷，这一缺陷有可能会使丝纤维的强力下降。

　　纺丝管汇聚或扩张使纺丝液沿管流动，并在几乎恒定的速率下延伸，纺丝液中球状液滴伸展成细而长的沿轴向排列的微管，这对于丝的性有一定贡献。由于延伸速度的缓慢和恒定，使应力低而均，阻止了局部凝固的过早形成，也就是阻止凝固在丝蛋白分子达到*佳取向前形成，就象其它纺丝过程一样，良好的分子排列对丝的性有重要的作用。

　　如果纺丝液在称为“内部延伸变细”的过程中快速伸长，可能会产生较高的应力（见，图片X）。在形成的丝突然被拉伸、径向收缩并拉离导丝管的第三环圈处开始这一过程（在成熟蝴蛛吐丝口前约4mm处）。这一过程中产生的应力也许会使纺丝液分子排列成行并形成更伸展的构造，使它们以氢键连接，并使丝纤维具有反平行P折叠构造。丝蛋白分子因为聚集和结晶化，疏水性增强，导致相态的分离并因而导致水分从固化丝表面失去。*近对于Vitro中的纺丝液的流动行为的研究和随绕丝速度增长所需的绕丝力的观察直接证明了应力导致相态的分离。由纺丝管第三环圈上皮细胞上的质子分泌的氢离子使纺丝液酸性增强，促使相态分离。丝纤维的*终延伸发生在其离开纺丝口后的空气中，并可能伴随着水分的进一步蒸发。然而，一些天然丝能成功地在水下纺制，由蒸发失去水分通常是不必要的。

　　蜘蛛丝内部的同步延伸和材料加工与工业纺丝有着显著的不同。在工业纺丝中溶剂以一定的梯度或在纤维表面逸散，特别是在喷丝板的出口处。尽管这种带有外部延伸的加工方法也许会发生在其它蜘蛛的纺丝腺中，但蝴蛛内部的拉仲加工似乎有更显著的优点，纺丝液中大多数水能通过纺丝管末端的吸收被重复利用，并且纺丝管充当了内部喷丝板和分泌包覆液的角色。

　　当由纺丝液形成纤维时，它从纺丝口中被拉出，*初的延伸应开始子纺丝管中的某一位置，在该位置拉出丝所需的力应低于或等于纺丝液沿管壁流动所需的力。当它通过纺丝口时，所纺得的丝可能被因相态分离而产生的水润滑。在纺丝管的第三环圈处加入表面活性剂也能减小丝纤维延伸所需的力。纺丝管的锥形构造允许拉伸点随纺丝速率的变化而沿纺丝管移动，导致丝线的直径随纺丝速度而变化。

　　总的来说，蜘蛛液晶状纺丝液的内部纺丝在酸浴中进行，并在外部空气间隙中进一步延伸产生了高韧性和弹性的丝。象蜘蛛一样的液晶材料纺丝有几个优点：1.实际上，分子在处喷丝口处出现后，其末受控制的再取向是自由的。2.纺丝需要的力很小。3.在未纺制的纺丝液中分子的预排列也许会减少产品的缺陷。

　　通过对蜘蛛纺丝过程的了解和复制似乎可以得到许多观点。蜘蛛通过百万年的进化，在高度控制的条件下，不断调整其高分子排列状态，高效地纺制出丝纤维。由蜘蛛纺丝得到的一个重要的启示是：它怎样使蛋白分子保持高浓度液晶状态并在纺丝管中拉伸形成极有韧性的丝，了解了这一点，通过进一步的研究，能帮助我们探索其它纤维蛋白的凝集，例如淀粉等。

　　附注丨比钢更强蜘蛛丝象许多人造纤维一样具有粘弹性：与弹性材料不同其加载和卸载的路径并不一致，而且，经常有一定的塑性成分（也就是说，材料在卸载后并不能完全回复），但用水处理能克服这一现象。纤维拉伸曲线的形态能*好地描述其机械性能。不同蜘蛛的同一类型丝的应力应变曲线有很大差别，同一蜘蛛的不同丝间也有很大的变化，这种变化归因于纺丝液化学组成的不同以及纺丝条件的不同，再次强调纺丝环境对于控制丝纤维的*终性能的重要性。如图C，蜘蛛通过调整爬行的速度或用脚改变纺丝速度、在不同时间结网可以轻松地改变纺丝环境，说明蜘蛛对其所产的丝线的性能有一定程度的控制作用。蜘蛛比重轻但强力大。它的强力l.IGpa接近于典型高强力工程钢的1.3（，但蜘蛛丝的密度（1.3）比钢（7.8）低得多。在相同重量下蜘蛛丝是强度*大的材料。

　　为了探索蜘蛛丝的机械性能（图c），以特定的速率dl/dt拉伸蜘蛛丝并测量定伸长dl下的力F.保持拉伸过程中应力（SE）恒定（即使在拉伸中A0将减少），应力是施加在试样断面面积（A0）上的。应变（eE）是长度变化dl与初始长度L0的比率。应力与应变的比率是初始模量E，也是曲线的斜率，它表示纤维的刚性。典型的曲线上至少有一个屈服点，也就是由于材料主要结构的变化而导致曲线上斜率突然改变的点。纤维断裂时，曲线下的面积或曲线断裂前被卸载形成的滞后圈的面积表明了纤维的韧性i（如图a中阴影部分）A：Nephilaedulis雌蛛的牵引丝应力应变曲线是由其拉伸实验得到的。给予纤维一定的应力以达到给定的应变，用应变表示一定应力下纤维相对于松弛状态的伸长。在250条件下以20mm/s速率从成熟Nephilaedulis雌蛛上得到的蜘蛛丝平均数据是：直径径12/mi，断裂伸长0.05，断裂强力3.6GPa，模量90GPa，纱线有单一模量无屈服点，断裂功约为33KJ/kg.因此Kovlar纤维的强度是蜘蛛丝的8倍，但蜘蛛丝的韧性是KRlar的5倍，因为其伸长是Kevlar的8倍。KovlarUB：由结不同网的蜘蛛得到的牵引丝的应力应变曲线特征：1.-Euprosthenopssp；该数据是在人工卷绕，同等测试条件下测定得到的。它们表明蜘蛛丝1刚性较大，要使其断裂需要更多的力，但其弹性较小。因此与蜘蛛丝5比较需要的能量较少。其他种类蜘蛛丝的特征是介于1和5之间。我们还注意到了这些丝初始模量和屈服点存在差异。图c表明Nephilaedulis牵引丝纺丝条件对断裂强力的影响。黑色的圆表示纺丝速度的影响，白色圆表示体温的影响。在控制的条件下，试样平均的断裂功是165±30KJ/Kg.在图中，更倾向于使用断裂应力而不是断裂强力，因为蜘蛛个体间的差别（包括纺丝速度和体温）影响了丝的直径，从而影响丝的断裂强力。当绕丝速度改变时，温度为25，而当体温变化时，速度为Mmm/s.这种蝴蛛的天然纺丝条件与所控制条件是匹配的。（每一个数据点由4~11只蜘蛛获得，每根丝测量4次）。

　　附注2其他的纺丝节肢动物蚕丝mori是一种本地的蚕蛾，其幼虫以桑叶为食。解开它的蛹茧可得到通常的蚕丝。其他的商业化丝来自于其他蛾，例如，Antheraea.我们对于这些昆虫的纺丝加工知识很多但不完整。蚕有一对很长的丝腺而且许多用气管呼吸的外部真皮管在盾部张开，然后形成微管的丝蛋白和丝液滴在腺体末端分泌出来的，并以层流方式移动，同时覆盖三层丝胶丝的第二种蛋白组分。**层薄的丝胶包含一种多肽（薄的丝胶层包含一种多肽（S―4）），第二层较厚的晶状层包含两种多肽（第二层较厚的晶状层包含两种（S-1和S-3），薄的第三层包含两种（S-2和S-5），所有这些多肽中乙氨酸、丝氨酸和天门冬氨酸含量是很高的，并且S -1和S-2中包含糖。包覆有丝胶的丝通过纺丝管拉伸并与另一对称腺体里出来的丝相连。成对的丝通过Filippi*s腺体的分泌物胶合在一起，带有柔韧的丝胶和唇状的开口。蚕丝的丝腺中包含产生纺丝液的后部丝腺、产生丝胶层的三个不同的中部丝腺、一个锥状纺丝管、一个连接两个腺体的Y形接合点，后面有一个压丝器和一个出丝口。蚕丝Larva绢丝腺占了其体重的20%，一个蚕茧有800m丝，一根丝由两根单丝组成，每一根纤维平均直径lOfrni.该纤维的刚性和强度都很大，但韧性不大，因为它缺乏可延伸性。不仅仅是蚕蛾和蜘蛛能产生丝，蜜蜂和黄蜂将纤维嵌人蜂窝以提供强力，跳蚤用丝构筑它们的巢和茧，草蜻虫会始使用丝将卵粘在杆上，石蚕幼虫使用丝将碎屑捆缚在巢内或结成水下的网。水生的蚊用丝建造供料的网，菌类小昆虫用有粘性的丝捕获苍蝇。

　　蜘蛛类节肢动物用丝在蜗和微小的东西上筑网，而在蜘蛛的一生中所有方面都涉及到丝。

　　在分类学配置方法和进化路径上的相异性导致分子化学的范围较广，并且材料性能和纺丝技术与丝产品相联系，为生物模拟材料的设计和加工提供了充分的机会。

　　附注3丝蛋白和基因蜘蛛丝蛋白也只能部分表征，这也是我们的标准蜘蛛。用十二烷基硫酸钠盐分解蛋白，聚丙烯酰氨凝胶电泳的实验证明这种蜘蛛的大囊状腺分泌一种主要的蛋白成分，其分子量已确定为275Kda和320Kda.原始的蛋白有5%的糖基化蛋白质并包含由SpidrionI中得到的和在SpidrionI，中都未曾见到的氨基酸排序。

　　*初的特征表明蛋白由两条脓链经3~5个二硫键结合而成。这些蛋白在自然环境下聚合形成分于量约为725Kda的共聚物。估计分子量32为180Kda的另一组分已在巯基乙醇制成的丝中被确定。直到现在，只了解一些蜘蛛丝的部分基因序列，且大多数都是圆蛛。SpidrionI和Spidrion是大囊状腺中牵引丝的两个亚单元结构。鞭毛状腺分泌一种与众不同的蛋白，它包含三个链段的多次重复，它是蜘蛛网螺旋状捕获丝的主要成分。蛋白三个链段中*大的（Gly -Pro-Gly-Gly-X）*也许会形成由大量|3转角组成的卩螺旋结构，这些结构就像弹簧一样结合在一起，在X残基处借助水的作用形成具有高度弹性的网络。SpidrrnI和n的氨基酸序列表明疏水的聚丙氨酸区域和较少的疏水性甘氨酸区域是交替排列的。如果我们要了解在纺丝过程的蛋白质分子的结合方式，需要对其在腺细胞和液囊中形成与贮藏时结构进行分类。Spidricm可以形成棒状分子或超分子单元，当在纺丝管中被拉紧时，这些分子可以作为形成纤维的高度浓缩的液晶状溶液保存。未成丝的Spidrion与丝纤维在构造上是不同的，但与蚕丝腺体内的SilKI类似。对未纺制的蜘蛛纺丝液进行核磁共振和紫外线圆二色谱测量表明其没有丝纤维中的卩折叠结构，并且包含了超过30%的螺旋，40%的无规卷曲，30%的以松散动态的状态存在的（3转角结构，以及类似于熔融的小球状态的部分伸展的结构。研究结果表明纺丝液中的分子具有复合P转角结构，包含由氢键交互连结而形成的稳定的三重或二重卩转角结构，或是卩转角/无规卷曲/a螺旋结构。卩转角和a螺旋的位置仍未确定，但在水溶液中，富含甘氨酸的区域和聚丙氨酸区域的分子排列都有可能形成（3转角和螺旋结构。先进的测试技术，例如NMR，微观拉曼光谱和微观x射线衍射时分析纺丝液的二级和三级结构的关键。如：Nephila牵引丝的碳13二维核磁共振实验表明，聚丙氨酸链段为高度取向的卩折叠结构，甘氨酸链段是3（1）螺旋结构，两者都沿丝线的方向取向。

　　单根蚕丝和Nephila丝在应力递增的过程中的拉曼光谱说明蜘蛛丝和蚕丝微观结构在变形过程中承受了相同的应力，表明丝中微原纤的存在将均匀地分配任何施加于纤维上的应力。但丝的X射线衍射图像揭示了模型中由小晶区组成的丝包含取向的和未取向的无定形区，这些材料带有（3 -poly结构的结晶状的片断。

　　附注4液晶纺丝与各向同性溶液不同，液晶状溶液是非牛顿体。生物系统在紧张的压力下，为了适应和*优化会具有非牛顿体的特征。特别当液晶的粘弹性依赖于剪切速率时，沿液体流动方向和垂直于液体流动方向的应力与溶液的浓度有密切的关系并且非常小。通过控制液晶纺丝液的溶液浓度，蜘蛛能大大减少分泌丝的消耗并使用狭窄的挤压纺丝管分泌非常细的纤维，纤维的直径变化从几纳米到几微米。和纺丝速度一样，用流动粘弹性的参数hf和管半径之间的关系表征牛顿层流（牛顿层流是用剪切速率确定应力而不是粘弹性）。很明显，在牛顿条件下制造纤维需要非常高的拉力，这种拉力在蝴蛛以正常速度（20mm/s）爬行或以800mm/s运行时是不可能产生的。而且，在牛顿流体中，粘弹性随温度的降低而增大：ht=h0exp（Eh/Rt），h0是基本粘弹性，Eh是由聚合物分子结构决定的活化能，而非牛顿流体与温度间的相对独立性将对蜘蛛有利，它允许蜘蛛无论在寒冷的早晨还是在较热的中午都能结网。在室温和低能消耗的条件下，通过使用液晶较好地调节蛋白浓度和合理降低纺丝速度，蜘蛛和蚕蛾都能找到方法使用非牛顿流体动力学而纺出很细的丝。适当地增大剪切速率将导致纺丝液粘弹性的降低，这一点已在向列型液体聚合物以及蜘蛛丝纺丝液中发现，它将进一步有助于减少纺丝液在蜘蛛纺丝管中流动时需要的能量。尽管蜘蛛丝纺丝液具有液晶聚合物的性能并且在浓度很低时具有牛顿流体的性能，但在高浓度下它们的流动是非牛顿的（也就是说粘弹性取决于应变率和应变史X并且一开始粘弹性随浓度明显增加，然后又降低到原始的低水平。这是因为在高浓度下分子趋向于重新排列，彼此间相对滑动或卷曲较容易。长度为L的棒状的液晶分子在溶液中稀释到C　　图织的*初拉伸；下部概括了其纺丝功能，在这个部分通过一个锥状S形纺丝管将产生于腺体中的液晶状纺丝液拉伸，然后使其成为弹性纤维。纺丝液产生于两个区域：腺体分泌Spidri- on的A区（见图A），蛋白质构成了丝的核心，而B区则分泌了丝薄薄的覆盖层。A区的分泌囊包含短而细的丝，*B区大部分包含六角形的柱状液晶体。漏斗处加厚的表皮使可延伸的纺丝管固定在不易动的液囊，也许是为了阻止蜘蛛摆动时纺丝液的剪切。纺丝管本身有一个很薄的表皮，作为一个透析膜并允许水和钠离子逸出腔外，而钾离子、表面活性剂和润滑剂液可进入腔内以促进丝的组成（见图X）。S一种典型的Araneid的专门腺体及它们的不同氨基酸组成。丝腺是成对的，反映了它们由具有分支的腺体进化而来。葡萄状腺产生的丝用来包裹捕获物，管状腺产生包卵丝，梨状腺产生用来连接的丝和附着盘。大小囊状腺形状相似，大囊状腺产生牵引丝和框丝而小囊状腺产生辐射状丝及可做任何结构的丝。鞭毛状腺产生捕获丝，而丝的覆盖物由集合状腺提供。这个覆盖层包含粘着用的醣蛋白，还有作为杀菌剂和吸湿组成的盐分，除了用来杀菌还可吸收空气中的水分来增加丝芯的塑性。

　　蜘蛛的牵引纺丝管。上部反映了纺丝管组形纺丝管的上皮细胞从漏斗到阀门处逐渐增加，说明当纺丝液在纺丝管中拉伸时，水和离子的抽吸在增加（图C，D说明在**第二环圈时，各自的上皮细胞组织）。这种牵伸过程主要在内部进行并从纺丝管的第三环圈开始，距离纺丝口约4mm.在延伸锥的前后，从插图E中可看到单个长颈形腺体晶粒会给丝一种特殊的涂层。图Y底部表示阀门并不是一个受到约束的喷嘴而是央紧丝的夹具。它就像一个棘齿，用于丝在内部断裂后再次纺制。阀门后的纺丝管部分（见插图F）专门用于抽吸水，具有带大量线粒体和顶点微小突起的长晶粒，并给等离子体膜的顶部的抱合提供了较大的表面积。*后，丝被灵活和具有弹性的出口夹紧（插图G），通过这一出口到达外界（见）。

　　出口帮助保留蜘蛛体内的水，并在一定张力下完成丝在空气中的拉伸。圆壁的直径是A93am，B93；tm，C12/ri，D12tm；E70）Lmi，F288/im，G60/ini，框壁的中点高度是\"350/，X40/un，Y300/jun，Z190/mi