《蜘蛛俠》科學解構版

故事裡，蜘蛛俠在高樓大廈中間左穿右插，猶如石屎森林的泰山，他來歷不明，身份神秘，今日就讓我告訴大家一個秘密：蜘蛛俠射出的絲不只一種，而是最少三種。

多數人會問：「咁多？」

然而，這是問錯問題，應該問：「點解咁少嘅？」自然裡的蜘蛛，能吐七種絲，蜘蛛俠怎會餘下三種呢？

由大家最熟悉的蜘蛛網開始。網周邊的骨架和中央向外伸延的幅射狀絲，是同一種絲，組成網的結構，支撐着網的形狀，可說是蜘蛛的「繩」；繩之間的空位，由有黏性的絲填補，用以捕捉獵物，這些可稱為「絲狀漿糊」；此外，網不是浮在半空，必須依附外物，繩與外物的接獨點，是另一種有黏性的絲，可說是蜘蛛的「膠紙」。假設我是蜘蛛，想築一個網在你房間的牆角，我首先會用「膠紙」把「繩」的一端黏在牆壁，然後走到另一幅牆，再用「膠紙」把「繩」的另一端黏上，如此類推，逐漸在牆角對開的空間建構一個平面，最後再由網中央繞圈向外走，沿途佈下「絲狀漿糊」，形成一個螺旋狀的「天羅地網」。膠紙、繩、絲狀漿糊 -- 這是築網必需的三種絲，每種絲都由獨立的腺體分泌。

某些蜘蛛，能夠分泌兩種「繩」和兩種「絲狀漿糊」，不同品種織的網都不同，大家只需知道，一個蜘蛛網可能已經包含五種蜘蛛絲。

當有獵物落網，蜘蛛會衝過去用絲包裹，包裹用的絲又是另一種類，這令我想起從前街市包紮餸菜，我便姑且稱之為「鹹水草」吧，這是第六種蜘蛛絲。

最後一種，是雌性用來製造卵囊、保護卵子的，直截了當稱其為「卵囊絲」吧。

膠紙、繩、絲狀漿糊、鹹水草、卵囊絲，每種絲的性質因其功能而異，談回蜘蛛俠之前，讓我考考大家，一隻蜘蛛從天花板而降，牠應該用哪種絲呢？懸吊這個功能跟以上哪個功能最相似？是「繩」，用來支撐蜘蛛網結構的「繩」，當然還需要把「繩」黏在天花板的「膠紙」。

蜘蛛俠濟世救人，最需要哪幾件「工具」呢？他在高樓大廈之間「fing」來「fing」去，是一種超高技術的動態懸吊，毫無疑問需要「繩」和「膠紙」。印象中，他會用蜘蛛絲來裹纏敵人，「鹹水草」應派用場。因此，我認為他最少能夠分泌三種蜘蛛絲；說「最少」，因為永不知道他還有什麼秘技，可能連他自己也未完全掌握的秘技。

每談到蜘蛛絲，常聽人說它堅韌非常，強度媲美鋼。我當初半信半疑，不費吹灰之力便可摧毀的蜘蛛網，怎可能與鋼相比？後來知道，比較物料必須以相同體積，蜘蛛絲纖維直徑約一微米，即是千分一毫米，我不知道一條絲包含多少條纖維，但憑肉眼所見，蜘蛛絲直徑絕不超過半毫米，與心目中的鋼條體積差天共地，兩者很難以「直覺」比較。況且，日常說的「硬」、「強」、「韌」等形容詞，在物料學有特定意義，蜘蛛絲究竟哪一方面媲美鋼，甚至比鋼優勝呢？今天就讓我們弄清楚。

一條線，兩邊拉，愈拉力愈大，結果只有一個：斷。拉斷這條線所需的力度，亦即是這條線所能承受的最高拉力，叫「強度」（strength）。蜘蛛「繩」的強度與鋼相約，「絲狀漿糊」的強度只及鋼的三分一（每種蜘蛛絲性質不同，因功能而異，科學家對「繩」和「絲狀漿糊」的認識最深，以下討論亦以這兩種絲為主），總的來說，強度不是蜘蛛絲的「優勢所在」，世上不乏更高強度的人造物料，如碳纖維（carbon fibre）和克維拉纖維（Kevlar fibre，防彈背心物料之一）。

任何物料都有彈性，拉斷之前必作某程度的伸延，問題是伸延至哪個程度才被拉斷。物料學的定義，拉斷時伸延了的長度除以原來長度，就是「可伸延性」（extensibility）。高強度人造物料的可伸延性極低，蜘蛛「繩」的可伸延性十倍於它們，「絲狀漿糊」又十倍於蜘蛛「繩」。那麼，可伸延性是否蜘蛛絲的「優勢所在」？未必。合成橡膠（synthetic rubber）的可伸延性更高。

換言之，蜘蛛絲「強」不過某些人造物料，又「彈」不過合成橡膠，是不是「高不成低不就」呢？等一等，還有另一個概念，叫「韌度」（toughness），這是拉斷一條線需要付出的能量。達致高韌度，有幾個途徑，可以靠高強度（很大力才拉斷），可以靠高可伸延性（拉很長才斷），亦可以靠強度和彈性之間取得適當的平衡。蜘蛛絲雖然「兩頭唔到岸」，但勝在「範範掂」，要用頗大力度拉很長距離才斷，韌度超過任何物料。

大自然講求中庸，就是這些巧妙的平衡，令人嘖嘖稱奇。

（2010 年 7 月 27 日 信報副刊）

學術參考：
J. M. Gosline, P. A. Guerette, C. S. Ortlepp, K. N. Savage (1999), “The Mechanical Design of Spider Silks: From Fibroin Sequence to Mechanical Function,” Journal of Experimental Biology 202, 3295-3303.

John M. Gosline, M. Edwin DeMont, Mark W. Denny (1986), “The Structure and Properties of Spider Silk,” Endeavour 10, 37-43.