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蚕和蜘蛛都是动物界非常优秀的“纺织能手”，它们吐的丝的优良性能令我们人类称奇。科学家致力于研发“人造蚕丝”、“人造蛛丝”，以满足我们除衣着服饰以外的更多方面的需求。
动物界中有很多天生的“纺织能手”，它们吐出长丝，或为自己搭建房屋，或布下罗网捕获猎物。而对于人类来说，这些天然的动物纤维则可为人类所用。人类早在5000年前就开始探索蚕吐丝的秘密，并利用蚕丝制作衣物。而在今天，人类更是创造性地将蚕丝、蜘蛛丝等运用到军事、医学等各个领域。各种奇“丝”妙想正在改变着我们的生活。
纤维“皇后”：蚕丝
蚕丝是人类最早利用的天然动物纤维之一，蚕丝因其特殊的光泽和细腻光滑的手感而成为人类的优质服饰原料。中国是世界上最先养蚕缫丝的国家，并且垄断丝绸业达3000年之久，历史上为打通亚洲和欧洲的丝绸贸易路线而建立的“丝绸之路”更是闻名遐迩。中国古人早已懂得选择性地饲养家蚕，因为家蚕所产的蚕茧比普通野生蚕蚕茧要大得多，同时也易于拆散和抽丝。
蚕在化蛹前，要先连续吃一个月的“桑叶大餐”，将自己的体重增加到刚出生时的1万倍。在作茧时，蚕会寻找一根树枝作为固定点，然后将头向后仰，从口中吐出细长的丝线，并像写阿拉伯数字“8”那样不断地摇晃头部，从外到内地吐丝作茧，直至将自己关在茧——由蚕自己建造的“保护仓”中。一只蚕大约要吐1千米长的丝才能织出一个完整的茧。茧可以有效地防止外界的细菌、鸟类等对蚕的伤害。
蚕作为人类的丝绸“制造工”，仅有少数幸运者被允许破茧成蛾并产卵，大部分蚕茧都被收集起来并放入沸水中蒸煮，这个过程会杀死蚕，同时除去将蚕丝粘连在一起的胶状物。之后，人们刮擦蚕茧，找到蚕丝的末端并缠绕在线轴上，然后开始抽丝。通常需要几股蚕丝缠绕在一起才能纺出我们日常所用的丝线。
蚕丝纤维在被蚕吐出来前，并不是缠在线轴上的那个样子，而是以蛋白质（由各种氨基酸重复组成的长肽链）的形式，像果冻一样存在于蚕的腺体中。蚕通过体内的两个腺体产生蚕丝，而这两个腺体的重量占到了其体重的1/3。当蚕要结茧时，这些蛋白质“果冻”会进入一条管道，在那里排列成纤维状，并脱掉水分子，转换成固态纤维。分别形成于两个腺体中的固态纤维被蚕分泌的一种蛋白胶“绑”在一起，然后从蚕口中的一个特殊通道中吐出——这就是我们看见的蚕丝。
随着对蚕丝的深入研究，科学家发现了蚕丝的一些非常优秀的生物学特性，例如不会引起机体的免疫反应、生物降解较慢，等等。于是，蚕丝的用途开始从服饰扩展到医学领域。
研究发现，在蚕丝的周围很容易培植干细胞。根据这一特性，蚕丝今后有可能被用作修补断骨和撕裂的肌肉的理想支架材料，或用来培养人造骨骼。研究还发现，如果在丝质物中嵌入酶和蛋白质，它们就能在一定时间内持续地发挥作用，短至数秒钟长至一年，完全取决于人为的调控。根据这一特性，可以用蚕丝为那些需要长期服药的病人研制新型药物。还有研究者利用蚕丝的柔软性，正在研发一种可溶性电子元件薄膜，以取代传统的硅晶片植入患者的大脑里。这一研究有望改进大脑与计算机的连接方式。
一个有趣的发现是，只要在某种特殊的电场中，丝质物就会改变其黏性——在黏性物和非黏性物之间转换。根据这种可逆的黏性，可以将丝质物制成黏胶，为正在送往医院途中的出血病人止血，然后在进入医院后再改变其属性，让外科医生可以迅速处理病人的伤口，而人们所要做的仅仅是按下电场转换开关。
纤维“新宠”：蛛丝
如果说蚕丝是纤维的“皇后”，那么蛛丝则可谓纤维的“新宠”。
在蜘蛛的腹部末端有6～8个被称为“丝疣”的突起物，蛛丝就是从这里“吐”出体外的。与蚕一样，蜘蛛也有专门的分泌丝蛋白的腺体，所不同的是，蜘蛛有多种腺体，可以分泌不同的蛛丝蛋白。这些蛛丝蛋白在蜘蛛体内为液态，经由各自的通道到达丝疣口时，液态丝蛋白在体内外压力差作用下重新排列，最终形成固态的蛛丝。
蛛丝的组成成分与蚕丝相似，主要为各种氨基酸，但蛛丝拥有更甚于蚕丝的优点。蜘蛛的牵引丝（即蜘蛛用于搭建蛛网的丝，在各种蛛丝中最为坚固）的直径是不变的，而蚕丝的直径则在蚕摇头晃脑画“8”字的不同阶段有变化。蛛丝的强度更强，通常是蚕丝的4～5倍。如果以可承受重量与自身重量的比值这个参数作为比较值，那么，一根典型的蛛丝的坚韧度是钢筋的20倍，是合成纤维凯夫拉（一种常用的防弹纤维，重量很轻但质地牢固）的4倍。蛛丝还异常柔韧，可以在不断裂的情况下再拉长50%之多。此外，蛛丝在高温及酸性条件下具有极佳的稳定性，在-50℃仍能保持良好的弹性。除上述物理特性外，蛛丝还具有与蚕丝一样的生物特性（无免疫反应，生物降解缓慢）。蛛丝因以上种种特性，被人们誉为“迄今为止发现的最为优良的天然纤维”。
因其优良的强度和柔韧性，科学家对蛛丝投以特别的关注。蛛丝在军事上的贡献从“二战”时期就开始了，那时英国军队的枪炮瞄准线就是用蜘蛛丝制成的。蛛丝还是研发防弹衣的新型材料。蛛丝在人造皮肤、人工肌腱、人工韧带及人工角膜等医学用途上，也有比蚕丝更好的应用前景。
和蚕丝纤维一样，蛛丝纤维也具有良好的透水、透气性，又不易被细菌穿透，与创面贴合良好。蛛丝本身的通透性和天然皮肤非常接近，且具有很好的伸展性，非常适用于人造皮肤的原材料。蛛丝以其高强度、高韧性，以及良好的柔软性和可塑性，成为制造人工肌腱的理想材料。蛛丝还可用作韧带的再生支架，在不久的将来用于治疗世界上最常见的由关节前十字韧带断裂造成的膝盖损伤疾病，这无疑给全世界患者带来了希望。蛛丝还是人工角膜的首选材料。目前医学上大多采用聚甲基丙烯酸甲酯制造人工角膜，这种材料虽然具有良好的透光性和可塑性，但硬度相对较高，而且具有免疫反应等副作用。
科学家还发现了蛛丝在外科手术（包括神经、眼睛等）缝合方面的用途。现在常用的天然缝合材料中，肠线柔韧性欠佳，动物肌腱容易在体内过早地被吸收。如果用蛛丝缝合伤口，不仅可以克服上述缺点，其良好的生物相容性还可以让创口恢复更快，且不会留下疤痕。 奇“丝”妙想：人造蛛丝
蛛丝具有上述种种优点，但要将其用于医学研究等领域也非易事——与家蚕相比，蜘蛛很难实现大规模养殖。我们现在唯一所知的蛛丝纺制品，是在伦敦一家博物馆展出的一块丝毯。不到4平方米的丝毯，却是从各地搜集了100万只金圆蛛的蛛丝，召集80位能工巧匠花费5年时间才织造而成的。
然而，蛛丝的诱惑又是如此之大，让科学家们不遗余力地寻求人工合成蛛丝的方法。
最早的相关研究都是将蚕丝作为研究对象，因为二者的构成相似。最常见的一种合成蚕丝的方法是：将沸水煮过的蚕茧去除丝胶层，浸泡在化学试剂中，将蛋白质链分解成原始的基本单元（有科学家将之称为“蚕丝纤维的逆向工程”），然后再利用各种技术制成不同结构和形态的蚕丝。这种生产再生丝的方法的最大优点是可以按照人的意愿改变丝的结构和形态。但令人遗憾的是，用这种方法制造出的再生丝，强度只有天然蚕丝的1/5，而且在制造过程中天然蚕丝的蛋白结构被破坏了。
科学家转而利用基因工程手段。有科学家将蛛丝蛋白基因分别注入大肠埃希氏杆菌、马铃薯、烟草等多种微生物和植物中，希望在这些生物组织中能制造出蛛丝蛋白。遗憾的是，效果不甚理想。
之后，加拿大科学家将蛛丝蛋白基因植入母山羊的卵细胞中，以获取具有蛛丝蛋白的羊奶，然后再用特殊的方法将羊奶中的蛛丝蛋白纺成人造蛛丝。通过这种方法获得的人造蛛丝与天然蛛丝有一定的相似性，其强度可以达到钢丝的4～5倍，被誉为“生物钢”。
美国科学家培育出一种转基因蚕，可将蛛丝蛋白整合到蚕丝纤维的结构中去。现在，这种转基因蚕已吐出包含蛛丝蛋白的丝纤维，其强度和韧性都优于普通蚕丝。
还有科学家打算培养可以生产蛛丝的细菌，以满足大规模生产的要求。
目前，世界上有多个研究小组正利用激光和X射线研究蛛丝纤维的分子结构，以了解不同“纺纱”条件如何影响蛛丝构造。这对于今后制造出和天然蛛丝一样优质的人造蛛丝有着至关重要的作用——要想生产出高强度、高性能的纤维，加工过程应该尽可能地接近天然丝生产过程。
相信在不远的将来，通过科学家的不懈努力，生物界的这些神奇纤维将不仅仅是我们穿在身上的各式服装，而且还是重要的救命材料。
破解蛛丝坚韧之谜
蛛丝为什么如此坚韧？这一直是科学界的一个未解之谜。不久前，麻省理工学院的一个研究小组宣称，他们已经破解了这个谜题。他们还宣称，准备使用一种新的合成材料来制造和蛛丝的坚韧程度不相上下，甚至性能比蛛丝更好的产品。根据他们的研究结果，蛛丝的质地之所以如此坚韧，主要是由于蛛丝纤维内部的氢键具有一种特殊的结构。
由于蛛丝内部纳米晶体的特殊结构方式，晶体中邻近氢键的结合力能够被整合在一起，这样便可起到有效地抵抗外力破坏的效果。这种氢键结构只会被逐步破坏，而且即使遭到破坏，也会很快地重建。
此外，蛛丝内部纳米晶体的大小是影响蛛丝坚韧性的非常重要的因素。新研究发现，如果这些晶体的大小保持在3纳米左右，那么蛛丝的强度和韧性便会达到最高。如果进一步增加到5纳米，那么材料的强度和韧性会大为减弱，脆性则会大幅提升。
研究人员还在计算机上模拟出了这种特殊的蛛丝分子结构和相互间作用的情况。
研究人员认为，这次的研究成果意义重大，可用于开发比现有的高性能纤维材料成本更低，而性能更高的替代型材料。他们目前正在研究如何使用这种技术制造出与蛛网内部结构类似的新型合成材料。
从防弹背心到防弹皮肤
2012年2月，科学家培育出了一种转基因山羊，这种山羊所产奶中含有与蛛丝相同的蛋白质，使用“山羊蛛丝”编成的织物的坚韧度是防弹背心所用的凯夫拉纤维的4倍。在实验室里，科学家将山羊蛛丝与生物工程手段培育的人类皮肤混合在一起，从而获得了具有防弹能力的人造皮肤。
据称，这种生物工程皮肤能够经受住半速发射的子弹轰击。不过，它目前的极限抗冲击力是每秒329米，超过这一极限，子弹便会穿透皮肤。此项研究旨在用蛛丝蛋白取代人类皮肤中的角蛋白，有望让科幻成为现实。
有科学家进一步设想：能否用蛛丝蛋白取代皮肤中的角蛋白？
将蜘蛛分泌蛛丝的基因植入人类基因组，从而打造出防弹超人——这听起来很科幻，但科学家认为并非不可能，方式就是将具有防弹性能的蛛丝与人工培育的皮肤结合在一起。防弹背心已经有几十年历史，但能够防弹的皮肤却一直存在于科幻作品中，最著名的例子就是超人这位刀枪不入的超级英雄。也许用不了多久，这种科幻就将变成现实。
动物界中有很多天生的“纺织能手”，它们吐出长丝，或为自己搭建房屋，或布下罗网捕获猎物。而对于人类来说，这些天然的动物纤维则可为人类所用。人类早在5000年前就开始探索蚕吐丝的秘密，并利用蚕丝制作衣物。而在今天，人类更是创造性地将蚕丝、蜘蛛丝等运用到军事、医学等各个领域。各种奇“丝”妙想正在改变着我们的生活。
纤维“皇后”：蚕丝
蚕丝是人类最早利用的天然动物纤维之一，蚕丝因其特殊的光泽和细腻光滑的手感而成为人类的优质服饰原料。中国是世界上最先养蚕缫丝的国家，并且垄断丝绸业达3000年之久，历史上为打通亚洲和欧洲的丝绸贸易路线而建立的“丝绸之路”更是闻名遐迩。中国古人早已懂得选择性地饲养家蚕，因为家蚕所产的蚕茧比普通野生蚕蚕茧要大得多，同时也易于拆散和抽丝。
蚕在化蛹前，要先连续吃一个月的“桑叶大餐”，将自己的体重增加到刚出生时的1万倍。在作茧时，蚕会寻找一根树枝作为固定点，然后将头向后仰，从口中吐出细长的丝线，并像写阿拉伯数字“8”那样不断地摇晃头部，从外到内地吐丝作茧，直至将自己关在茧——由蚕自己建造的“保护仓”中。一只蚕大约要吐1千米长的丝才能织出一个完整的茧。茧可以有效地防止外界的细菌、鸟类等对蚕的伤害。
蚕作为人类的丝绸“制造工”，仅有少数幸运者被允许破茧成蛾并产卵，大部分蚕茧都被收集起来并放入沸水中蒸煮，这个过程会杀死蚕，同时除去将蚕丝粘连在一起的胶状物。之后，人们刮擦蚕茧，找到蚕丝的末端并缠绕在线轴上，然后开始抽丝。通常需要几股蚕丝缠绕在一起才能纺出我们日常所用的丝线。
蚕丝纤维在被蚕吐出来前，并不是缠在线轴上的那个样子，而是以蛋白质（由各种氨基酸重复组成的长肽链）的形式，像果冻一样存在于蚕的腺体中。蚕通过体内的两个腺体产生蚕丝，而这两个腺体的重量占到了其体重的1/3。当蚕要结茧时，这些蛋白质“果冻”会进入一条管道，在那里排列成纤维状，并脱掉水分子，转换成固态纤维。分别形成于两个腺体中的固态纤维被蚕分泌的一种蛋白胶“绑”在一起，然后从蚕口中的一个特殊通道中吐出——这就是我们看见的蚕丝。
随着对蚕丝的深入研究，科学家发现了蚕丝的一些非常优秀的生物学特性，例如不会引起机体的免疫反应、生物降解较慢，等等。于是，蚕丝的用途开始从服饰扩展到医学领域。
研究发现，在蚕丝的周围很容易培植干细胞。根据这一特性，蚕丝今后有可能被用作修补断骨和撕裂的肌肉的理想支架材料，或用来培养人造骨骼。研究还发现，如果在丝质物中嵌入酶和蛋白质，它们就能在一定时间内持续地发挥作用，短至数秒钟长至一年，完全取决于人为的调控。根据这一特性，可以用蚕丝为那些需要长期服药的病人研制新型药物。还有研究者利用蚕丝的柔软性，正在研发一种可溶性电子元件薄膜，以取代传统的硅晶片植入患者的大脑里。这一研究有望改进大脑与计算机的连接方式。
一个有趣的发现是，只要在某种特殊的电场中，丝质物就会改变其黏性——在黏性物和非黏性物之间转换。根据这种可逆的黏性，可以将丝质物制成黏胶，为正在送往医院途中的出血病人止血，然后在进入医院后再改变其属性，让外科医生可以迅速处理病人的伤口，而人们所要做的仅仅是按下电场转换开关。
纤维“新宠”：蛛丝
如果说蚕丝是纤维的“皇后”，那么蛛丝则可谓纤维的“新宠”。
在蜘蛛的腹部末端有6～8个被称为“丝疣”的突起物，蛛丝就是从这里“吐”出体外的。与蚕一样，蜘蛛也有专门的分泌丝蛋白的腺体，所不同的是，蜘蛛有多种腺体，可以分泌不同的蛛丝蛋白。这些蛛丝蛋白在蜘蛛体内为液态，经由各自的通道到达丝疣口时，液态丝蛋白在体内外压力差作用下重新排列，最终形成固态的蛛丝。
蛛丝的组成成分与蚕丝相似，主要为各种氨基酸，但蛛丝拥有更甚于蚕丝的优点。蜘蛛的牵引丝（即蜘蛛用于搭建蛛网的丝，在各种蛛丝中最为坚固）的直径是不变的，而蚕丝的直径则在蚕摇头晃脑画“8”字的不同阶段有变化。蛛丝的强度更强，通常是蚕丝的4～5倍。如果以可承受重量与自身重量的比值这个参数作为比较值，那么，一根典型的蛛丝的坚韧度是钢筋的20倍，是合成纤维凯夫拉（一种常用的防弹纤维，重量很轻但质地牢固）的4倍。蛛丝还异常柔韧，可以在不断裂的情况下再拉长50%之多。此外，蛛丝在高温及酸性条件下具有极佳的稳定性，在-50℃仍能保持良好的弹性。除上述物理特性外，蛛丝还具有与蚕丝一样的生物特性（无免疫反应，生物降解缓慢）。蛛丝因以上种种特性，被人们誉为“迄今为止发现的最为优良的天然纤维”。
因其优良的强度和柔韧性，科学家对蛛丝投以特别的关注。蛛丝在军事上的贡献从“二战”时期就开始了，那时英国军队的枪炮瞄准线就是用蜘蛛丝制成的。蛛丝还是研发防弹衣的新型材料。蛛丝在人造皮肤、人工肌腱、人工韧带及人工角膜等医学用途上，也有比蚕丝更好的应用前景。
和蚕丝纤维一样，蛛丝纤维也具有良好的透水、透气性，又不易被细菌穿透，与创面贴合良好。蛛丝本身的通透性和天然皮肤非常接近，且具有很好的伸展性，非常适用于人造皮肤的原材料。蛛丝以其高强度、高韧性，以及良好的柔软性和可塑性，成为制造人工肌腱的理想材料。蛛丝还可用作韧带的再生支架，在不久的将来用于治疗世界上最常见的由关节前十字韧带断裂造成的膝盖损伤疾病，这无疑给全世界患者带来了希望。蛛丝还是人工角膜的首选材料。目前医学上大多采用聚甲基丙烯酸甲酯制造人工角膜，这种材料虽然具有良好的透光性和可塑性，但硬度相对较高，而且具有免疫反应等副作用。
科学家还发现了蛛丝在外科手术（包括神经、眼睛等）缝合方面的用途。现在常用的天然缝合材料中，肠线柔韧性欠佳，动物肌腱容易在体内过早地被吸收。如果用蛛丝缝合伤口，不仅可以克服上述缺点，其良好的生物相容性还可以让创口恢复更快，且不会留下疤痕。 奇“丝”妙想：人造蛛丝
蛛丝具有上述种种优点，但要将其用于医学研究等领域也非易事——与家蚕相比，蜘蛛很难实现大规模养殖。我们现在唯一所知的蛛丝纺制品，是在伦敦一家博物馆展出的一块丝毯。不到4平方米的丝毯，却是从各地搜集了100万只金圆蛛的蛛丝，召集80位能工巧匠花费5年时间才织造而成的。
然而，蛛丝的诱惑又是如此之大，让科学家们不遗余力地寻求人工合成蛛丝的方法。
最早的相关研究都是将蚕丝作为研究对象，因为二者的构成相似。最常见的一种合成蚕丝的方法是：将沸水煮过的蚕茧去除丝胶层，浸泡在化学试剂中，将蛋白质链分解成原始的基本单元（有科学家将之称为“蚕丝纤维的逆向工程”），然后再利用各种技术制成不同结构和形态的蚕丝。这种生产再生丝的方法的最大优点是可以按照人的意愿改变丝的结构和形态。但令人遗憾的是，用这种方法制造出的再生丝，强度只有天然蚕丝的1/5，而且在制造过程中天然蚕丝的蛋白结构被破坏了。
科学家转而利用基因工程手段。有科学家将蛛丝蛋白基因分别注入大肠埃希氏杆菌、马铃薯、烟草等多种微生物和植物中，希望在这些生物组织中能制造出蛛丝蛋白。遗憾的是，效果不甚理想。
之后，加拿大科学家将蛛丝蛋白基因植入母山羊的卵细胞中，以获取具有蛛丝蛋白的羊奶，然后再用特殊的方法将羊奶中的蛛丝蛋白纺成人造蛛丝。通过这种方法获得的人造蛛丝与天然蛛丝有一定的相似性，其强度可以达到钢丝的4～5倍，被誉为“生物钢”。
美国科学家培育出一种转基因蚕，可将蛛丝蛋白整合到蚕丝纤维的结构中去。现在，这种转基因蚕已吐出包含蛛丝蛋白的丝纤维，其强度和韧性都优于普通蚕丝。
还有科学家打算培养可以生产蛛丝的细菌，以满足大规模生产的要求。
目前，世界上有多个研究小组正利用激光和X射线研究蛛丝纤维的分子结构，以了解不同“纺纱”条件如何影响蛛丝构造。这对于今后制造出和天然蛛丝一样优质的人造蛛丝有着至关重要的作用——要想生产出高强度、高性能的纤维，加工过程应该尽可能地接近天然丝生产过程。
相信在不远的将来，通过科学家的不懈努力，生物界的这些神奇纤维将不仅仅是我们穿在身上的各式服装，而且还是重要的救命材料。
破解蛛丝坚韧之谜
蛛丝为什么如此坚韧？这一直是科学界的一个未解之谜。不久前，麻省理工学院的一个研究小组宣称，他们已经破解了这个谜题。他们还宣称，准备使用一种新的合成材料来制造和蛛丝的坚韧程度不相上下，甚至性能比蛛丝更好的产品。根据他们的研究结果，蛛丝的质地之所以如此坚韧，主要是由于蛛丝纤维内部的氢键具有一种特殊的结构。
由于蛛丝内部纳米晶体的特殊结构方式，晶体中邻近氢键的结合力能够被整合在一起，这样便可起到有效地抵抗外力破坏的效果。这种氢键结构只会被逐步破坏，而且即使遭到破坏，也会很快地重建。
此外，蛛丝内部纳米晶体的大小是影响蛛丝坚韧性的非常重要的因素。新研究发现，如果这些晶体的大小保持在3纳米左右，那么蛛丝的强度和韧性便会达到最高。如果进一步增加到5纳米，那么材料的强度和韧性会大为减弱，脆性则会大幅提升。
研究人员还在计算机上模拟出了这种特殊的蛛丝分子结构和相互间作用的情况。
研究人员认为，这次的研究成果意义重大，可用于开发比现有的高性能纤维材料成本更低，而性能更高的替代型材料。他们目前正在研究如何使用这种技术制造出与蛛网内部结构类似的新型合成材料。
从防弹背心到防弹皮肤
2012年2月，科学家培育出了一种转基因山羊，这种山羊所产奶中含有与蛛丝相同的蛋白质，使用“山羊蛛丝”编成的织物的坚韧度是防弹背心所用的凯夫拉纤维的4倍。在实验室里，科学家将山羊蛛丝与生物工程手段培育的人类皮肤混合在一起，从而获得了具有防弹能力的人造皮肤。
据称，这种生物工程皮肤能够经受住半速发射的子弹轰击。不过，它目前的极限抗冲击力是每秒329米，超过这一极限，子弹便会穿透皮肤。此项研究旨在用蛛丝蛋白取代人类皮肤中的角蛋白，有望让科幻成为现实。
有科学家进一步设想：能否用蛛丝蛋白取代皮肤中的角蛋白？
将蜘蛛分泌蛛丝的基因植入人类基因组，从而打造出防弹超人——这听起来很科幻，但科学家认为并非不可能，方式就是将具有防弹性能的蛛丝与人工培育的皮肤结合在一起。防弹背心已经有几十年历史，但能够防弹的皮肤却一直存在于科幻作品中，最著名的例子就是超人这位刀枪不入的超级英雄。也许用不了多久，这种科幻就将变成现实。