论蜘蛛丝的发展前景

中南大学选修课程创造学科技论文 ——论蜘蛛丝的发展前景 姓名 吴星 学院 地球科学与信息物理学院 班级 地质工程1001班 学号 0103100301 指导老师 杨艳萍 2012年4月13日 论蜘蛛丝的发展前景 摘要 主要通过对蜘蛛丝的历史文化以及其形成、特点、成分、结构等性质方面的介绍，对蜘蛛丝未来方向的发展前景做出一个大致的与估测。 关键词 蜘蛛丝 历史 特点 成分 基因蜘蛛丝 形成 能力 结构 蜘蛛丝的历史 人类利用蜘蛛丝始于1909年，在第二次世界大战时曾被用作望远镜、枪炮的瞄准系统中光学装置的十字准线，但20世纪90年代后开始对蜘蛛丝蛋白基因组    HYPERLINK "http://baike.baidu.com/albums/419449/419449/0/0.html" \l "0$90cebeecc5cd1f7e269791d8" \t "_blank" 成、结构形态、力学性能等有了深入研究，为蜘蛛丝商业化生产提供了可能性。 蜘蛛丝的特点 　 蜘蛛丝的理化性质与蚕丝相比，具有非常明显的优势，在力学强度方面，蜘蛛丝纤维与强度最高的碳纤维及高强合纤Aramid、Kelve，等强度相接近，但它的韧性明显优于上述几种纤维。因此，蜘蛛丝纤维在国防、军事（防弹衣）、建筑等领域具有广阔应用前景。天然蜘蛛丝主要来源于结网，产量非常低，而且蜘蛛具有同类相食的个性，无法像家蚕一样高密度养殖。所以要从天然蜘蛛中取得蛛丝产量很有限。随着现代生物工程发展，用基因工程手段人工合成蜘蛛丝蛋白是一种新突破，不久有可能形成具有一定规模的人工蜘蛛丝纤维生产厂。 蜘蛛丝的成分 蜘蛛丝的主要化学成分是甘氨酸（NH2-CH2-COOH）、丙氨酸（NH2-CH[CH3]-COOH）及小部分的丝氨酸（NH2-CH[CH2OH]-COOH），加上其它氨基酸单体蛋白质分子链构成。外观上又细又柔软的蜘蛛丝之所以具有极好的弹性和强度，其原因在于：一方面，蜘蛛丝中具有不的蛋白质分子链，这使蜘蛛丝具有弹性；另一方面，蜘蛛丝中还具有规则的蛋白质分子链，这又使蜘蛛丝具有强度。 基因蜘蛛丝 长期以来，科学家一直在研究如何大量制造蜘蛛丝的。丹麦阿赫斯大学的研究人员发现：蜘蛛造丝的蛋白质与酸接触时，它们之间相互叠合，连接成链状，从而使丝的强度大大增加。美国麻省的国家陆军生物化学指挥中心和加拿大魁北克内克夏生物科技公司（ Nexia Biotechnologies）从蜘蛛身上抽取出蜘蛛基因植入山羊体内，让羊奶具有蜘蛛丝蛋白，再利用特殊的纺丝程序，将羊奶中 的蜘蛛丝蛋白纺成人造基因蜘蛛丝，这种丝又称为生物钢（Bio-Steel）。 用这种方法生产的人造基因蜘蛛丝比钢强4至5倍，而且具有如蚕丝般的柔软和光泽，可用于制造高级防弹衣。生物钢的用途广泛，还能制造战斗飞行器、坦克、雷达、卫星等装备的防护罩等。 蜘蛛丝的形成 蜘蛛的肚子里有许多丝浆，它的尾端有很小的孔眼。结网的时候，蜘蛛便将这些 丝浆喷出。丝浆一遇到空气，就凝结成有粘性，无论什么飞虫，一撞到网上就别想再跑掉。而蜘蛛的身上和脚上经常分泌出一层油质，粘丝是不粘油的。但是，一般飞虫是没有这层油质的，所以，蜘蛛网能牢牢地粘住飞虫却粘不住蜘蛛。 蜘蛛丝的强度 据科学家研究试验，一束由蜘蛛丝组成的绳子比同样粗细的不锈钢钢筋还要坚强有力。它能够承受比钢筋还多5倍的重量而不会被折断。虽然一些蜘蛛丝细如头发，但你可别轻视它的能力和作用！蜘蛛丝非常富有弹性，一条直径只有万分之一毫米的蜘蛛丝，可以伸长两倍以上才会拉断。另蜘蛛丝由蛋白质组成，只要丝浆不完可以想要多长就抽多长。理论上可以边喂蜘蛛边抽蜘蛛丝。 蜘蛛丝的结构 首先让我们来看一下蛛网的结构。虽然不同种类的蜘蛛所织的网常有差异，但是一般都有放射状的蜘蛛丝和椭圆形的蜘蛛丝两种。蜘蛛在结网时，会先构筑放射状的骨架丝线———纵丝。纵丝主要是支撑蜘蛛网结构的，强度大，但无黏性。在骨架完成后，蜘蛛会接着以逆时针的方向织造螺旋状丝线，科学家称其为横丝。如 蜘蛛视需要而吐出不同的原料，从而织造出黏的和不黏的两种丝线。蜘蛛在网上活动时，会选择在果仔细观察，就会发现横丝上有水珠似的凸起，它们被称为黏珠，其黏性让误闯入的昆虫难以脱身。 蜘蛛的高明之处就是它能吐出不同种类 的丝。蜘蛛的腹部尾端一般有6至8个纺丝器，与每个纺丝器对应的是蜘蛛身上功能各异的腺体，每个脾体能产生不同的丝线原料，没有黏性的纵丝上，避免被粘住。 蜘蛛丝的应用前景 随着基因工程技术迅猛的发展，用生物技术产生的丝分子将制备出具有性质的新。将来，由重组生产的仿蜘蛛丝蛋白质，由于具有与其他纤维材料无法比拟的性能特性，尤其是作为生物材料的应用，具有十分诱人的前景。蜘蛛丝的韧性聚酰胺纤维相似。可以用来制作轮胎、防弹服。可以利用蜘蛛丝仿制高质量的纤维，限制新型宇航服和高科技产品。蜘蛛丝轻质、高强、高韧特性，可在体育运动器材、降落伞、航天航空材料，以及要求生物相容性的医疗卫生领域施展特长。 未来对蜘蛛丝的研究工作将主要从以下几个方面进行： （1） 加强对蜘蛛丝既相互科学的研究：弄清蜘蛛丝蛋白的基因、调控机理，以及蜘蛛丝蛋白的组成，机器具有各种性能的分子机理。 （2） 进行蜘蛛丝的人工合成与改造的研究：蜘蛛丝的生物降解性适用于手工缝合线、组织工程的搭架和搭架等生物材料的开发，高韧度适用于防弹衣的开发。因此，人类可以通过合成手段，设计、表达、以及人工纺丝，通过对特性的检验，人工合成出以蜘蛛丝为基础具有不同用途的最佳材料。 （3） 合成蜘蛛丝蛋白表达系统的选择：寻找多种高效表达人工丝蛋白的寄主系统，现在科学家们已经在寻找新的途径，开始尝试在昆虫、植物系统以及哺乳动物的细胞中将其表达出来。 （4） 合成蛛丝蛋白的下游工程的研究：加强由丝蛋白到具有天然丝纤维特性的工艺研究。 结语 蜘蛛丝独特的力学性能极其多样性是大自然千年进化的结晶，虽然近年来人们对其进行了大量的研究，但对其结构、性能的影响因素仍未完全掌握，在工业化生产方面仍有待突破。蜘蛛丝的轻质、高强、高韧特性在广泛的领域得到应用。 参考文献 【1】 黄智华，李敏.蜘蛛丝的分子结构与力学性能研究.中国生物工程杂志，2003,23（7）：84~88. 【2】 潘志娟，许箐等. 蜘蛛丝应力—应变行为的分子结构机理.科学技术与工程，2002（6）：32~34. 【3】 何家禄. 超级蛋白质—蜘蛛丝特性，分子结构与功能. 国外农学：蚕学，1991 （3）：11~15 【4】 先申. 蜘蛛丝的特性与应用. 河南纺织科学，2005 ，26（1）