因此,在相当长的一段时期里,人们只能简单地利用那极为宝贵的蜘蛛丝。
在20世纪的30年代,当人们需要找到一种极细的丝用来作为大炮瞄准望远镜的坐标线,以便提高瞄准效率的时候,人们试用了许多材料,都觉得不够满意,因为那些材料制成的丝太粗了,放在望远镜里的坐标线如果太粗,那么,坐标的中心点虽然瞄准了,而实际的误差却非常大,在这里用“失之毫厘,谬以千里”来形容,是一点也不过分的。
找来找去,人们想到了蜘蛛的纤细的丝。经过实验,认为蜘蛛中以“园蛛”和“络新妇”这两种蜘蛛丝的质量符合要求。这样一来,蛛丝就成为望远镜筒中特用的坐标丝,后来又推广到在显微镜的镜筒上应用。
蛛丝在科学仪器中独居宝座一直延续到第二次世界大战以后,人们制出了极细的金属丝,蛛丝才不再称霸于这一领域。
歪打正着的发明
正像科技史中不少发明是歪打正着的成果那样,纺绩器的发明却是和电灯的发明相关联的。
纺绩器的发明人名叫斯旺,他是发明电灯的爱迪生的合作者。斯旺从青年时代就致力于使电产生光的研究,他和爱迪生差不多同时发明了实用的白炽灯。本来在发明的专利权方面斯旺和爱迪生是有争议的,后来他们在法庭外面解决了这一争议,在英国合作建立了一家联合公司。
我们知道,最早发明的白炽灯灯泡里的灯丝是用植物纤维碳化以后做的。斯旺在研究改进灯丝的过程中,发明了一种抽丝的方法,可以将硝化纤维的黏液强迫通过许多小孔挤压而成为一缕缕的细丝,再将这种细丝碳化,用来作为白炽灯泡的灯丝。可惜用这种硝化纤维做灯丝的实验研究未能得到预期的效果,这时,兴趣和爱好都很广泛,知识又很渊博的斯旺想到:虽然抽拉出来的丝没能用来做灯丝,但是这种拉丝器如果用来作为人造丝的纺绩器,不是很有意义吗?
于是,斯旺专门为自己发明的这一纺绩器申请了专利,它就是制造人造纤维、人造丝的最早的拉丝器,至今人们还记住了斯旺在这一领域中所做出的贡献。
如果说斯旺发明类似蜘蛛丝纺绩器那样的拉丝器,是在研究改进灯丝课题时获得的一项意外的成果的话,那么,无独有偶,最早的人造纤维的发明,也是一项意外的成果。
那是在法国,化学家巴斯德接受了法国政府的委托,研究当时危害法国蚕丝业生产的蚕病防治方法。一位名叫夏尔多内的学生当了巴斯德的助手。对蚕和它的丝的质量的研究,使夏尔多内对丝发生了兴趣。巧的是夏尔多内同时又喜欢研究照相。在研究照相底片的过程中,夏尔多内无意中发现,当将搅和硝化纤维黏液的玻璃棒从黏液中抽出来的时候,又黏又稠的硝化纤维黏液竟被拉成长长细细的丝。夏尔多内用手去捻一捻这种丝,发觉它的手感很好,和天然的丝极为相似。一个发明的火花突然闪现在他的脑海:如果我用这种硝化纤维通过拉丝器的小孔,把它挤压抽拉成许多根根纤细的丝,是不是就可以得到大量的人造丝呢?夏尔多内一试,果然抽拉出来细长、光亮、美丽的人造丝。
据说当时夏尔多内极为兴奋地欢呼:
“成功了,这就是说,蚕能够做的事,人类也能够完成。”
夏尔多内将自己的发明申请了专利,并且在法国开办了一家人造丝工厂。那里生产的人造丝在巴黎博览会上展出的时候,获得妇女们一片赞美声。
美中不足的是,这种人造丝很怕火,在一次宴会上,一位穿着人造丝服装的妇女,在众人羡慕的目光中正在得意的时候,不料一位吸烟者的火星落到身上,衣服顿时剧烈地燃烧起来,当人们赶来把火扑灭的时候,这位妇女已经死去了。
后来真正发明出接近蛛丝的人工合成丝织品的人是美国人卡罗瑟斯。他考虑的是:夏尔多内发明的是借助植物纤维制造的人造丝,而他要发明的是不依靠植物纤维,而是利用化学方法人工合成的丝。1938年9月,美国杜邦化学工业公司宣布他们将出售一种新产品。广告是这样说的:“我公司利用煤炭、空气和水制成了一种丝,这是一种比蜘蛛丝还要细,比钢铁还要牢固的丝。”
这种丝就是卡罗瑟斯发明的尼龙66。用尼龙66制成的第一批产品是尼龙丝袜,它的确赶得上有蛛丝那么细,有蛛丝那么透明,而且价格不贵。所以,公司第一批投入市场的1万双尼龙丝袜,只卖了3天就被抢购一空。
尼龙丝织品到现在仍旧是很受人们欢迎的一种化学纤维。
蛛丝进入高科技
虽然在尼龙66以后,化学家们又陆续发明了维尼纶、涤纶等化学纤维,但是人们仍旧忘不了由蜘蛛的丝囊里抽出来的真正的蛛丝,因为蛛丝有属于它自己的许多优良品质。
它很细,它的直径只有二百分之一毫米,将100根蛛丝加在一起,才不过只有1根头发那么粗。
它很轻,将蛛丝的单丝环绕地球一周,它的总重量也不过200克。
它很坚韧,富有弹性,在一根蛛丝原来的长度上再拉长五分之一,它也不断,这是同样粗细的钢丝也办不到的。
它的强度又很大,每根单丝可以承受3克的重量。这也是同等粗细的钢丝办不到的。
蛛丝是人们公认的世界上最精细的固体之一。蛛丝加入了现代高科技研究的行列。
在美国曼彻斯特大学进行的一项核聚变实验中,科学家将一个只有头发般粗细的管囊悬吊起来,管囊里充满氢气,再用高达12万亿瓦特激光撞击加热,使管囊里的氢气被加热到9000万摄氏度的高温,这时,管里的氢气就会发生热核聚变,人们就能像从太阳那里得到能量一样得到热核聚变产生的能量。
在进行这项高科技的实验研究中,需要解决的关键问题之一是:用什么材料来悬吊这只有头发般粗细的管囊,又要求它能经受得起这样高的温度和冲击。
经过多次筛选,科学家们找到了蜘蛛丝。他们说,蛛丝轻而且柔韧,具有优异的机械性能,比如说,它的弹性非常好。
蛛丝就这样走进了高科技实验的行列,参加了这项最尖端的热核聚变实验。据说,如果没有找到蜘蛛丝这项材料,仅仅是为开发这种管囊悬吊系统,可能要花数百万美元的经费呢!
蜘蛛的惊异
尽管直接用蛛丝织造织物的实验失败了,尽管人们后来又从蜘蛛那里得到许多启发,发明和生产出来了各种人造纤维、人造丝和合成纤维,人们并没有忘记蛛丝的魅力。
人们仍旧向往能够得到真正的蛛丝,用来织造各种有特殊用处的织物。
这一次,是生物学家的研究发现给人们带来了希望。19世纪时,奥地利的修士孟德尔种了22种不同的豌豆,记载了每一种豌豆后代的遗传特性。1866年,孟德尔根据他种植了10年豌豆的记载,整理发表了关于遗传规律的论文。他认为,每一种生物的后代都从他们的父母以至祖父母等祖先那里得到了遗传的信息,所以才像他们的父母、祖父母……1910年,美国的生物学家摩尔根用果蝇进行实验,也发现了果蝇的后代有遗传现象,遗传的规律和孟德尔总结的相同。
那么,决定生物遗传的物质是什么呢?孟德尔和摩尔根都提出了一个遗传因子的假说,认为遗传的信息是由遗传因子来决定的。摩尔根将这种遗传因子叫做“基因”。
1953年,美国的沃森和英国的克拉克合作,发现了遗传基因的物质是一种叫做DNA的双螺旋结构。DNA上面携带了几亿个遗传密码,这些密码传递着遗传的信息,人们只要破译出这些密码,就能按照人的意志得到所需要的遗传特性。
1973年,美国科学家将大肠杆菌的一个带抗四环素和一个带抗链霉素的遗传信息的基因重新组合,又移植到大肠杆菌中复制,结果得到的新的菌种就既有抗四环素的特性又有抗链霉素的特性。这是人们第一次按人的意志来制造新的生物。
1977年,人们又将人工合成的脑激素基因移植给大肠杆菌,结果大肠杆菌果然不断地繁殖出带有脑激素的物质。脑激素是治疗糖尿病的良药,它本来只能从牲畜的脑浆中提取,10万只羊脑才能提取到1毫克的脑激素,不但价格昂贵,而且在事实上又会有几个病人能幸运地得到这种药品的治疗呢?可是采用移植脑激素基因的方法,现在只要有2升大肠杆菌的培养液,让大肠杆菌根据脑激素基因不断繁殖带有脑激素的物质,就能提取出1毫克脑激素。这样,不但不需要再四处去寻找羊脑,省去了许多繁杂的工疗而且成本大大降低,价格不再那么昂贵,于是,就可能有更多的病人及时得到这种脑激素的治疗。
遗传科学的发展诞生出一门新的学科,它叫遗传工程学,人们只要破译出DNA的种种密码,将这些密码切割下来,移植到另外的生物体内,或者将它们重新组合,人们就可以像设计一般的工程那样,对生物进行工程设计,创造出各种自然界不存在,而是按照人们的意志产生的新的生物或生物物质。所以这门新兴的学科又叫生物工程学。
现在我们就要讲到这门科学给想得到蛛丝的人们的启发。它激发了美国一位名叫斯蒂芬?隆巴迪的分子生物学家的灵感。这位美国马萨诸塞州内蒂克陆军研究实验室的年轻研究人员,从军事角度考虑,他觉得蜘蛛丝有许多重大的用途,分子生物学给他开辟了一条新的思路。
他想:既然分子生物学已经发展到这一程度,我们何必非得要求由蜘蛛去生产蛛丝呢?我们不能请别的容易培育和繁殖迅速的生物——比如细菌——来帮帮忙吗?
隆巴迪进行了一系列的实验,他从一种名叫黄圆纺织娘的蜘蛛中分离出一种基因,它带有生产蛛丝蛋白的密码;再把这种基因移植到一种细菌体内,使这种细菌具有了分泌蜘蛛蛋白的能力。隆巴迪再用这种蛛丝蛋白抽拉出一根4英寸长的蛛织丝。
这种由细菌分泌出的蛛丝蛋白制成的蛛丝,具有属于真正的蛛丝的优异性能。它的拉伸强度是同样粗细的钢丝强度的5倍到10倍;它具有极强的韧性,可以拉伸到原来长度的18%而不断裂。而且,将它和蚕丝相比较,它具有蚕丝的质地和手感,但比蚕丝结实,又比蚕丝容易染上色。
虽然这个消息于1991年2月26日在美国《华尔街日报》公布时,隆巴迪得到的由蛛丝蛋白抽拉出的蛛丝才不过只有4英寸长,但它给人们带来的希望和由此所产生的兴奋心情却远远超过了4英寸蛛丝的价值,因为这一成果向人们展示的是一条崭新的、可行的,而且价廉物美可以批量生产蛛丝的道路。
这是因为培植细菌比饲养蜘蛛要容易得多,也简单得多。细菌繁殖快,对生活条件的要求也很简单。这样,人们把制造蛛丝蛋白的复杂工作交给细菌来完成,不需要很复杂的设备就可以得到源源不断的蛛丝蛋白,再把这种蛛丝蛋白放进抽丝器里以极快的速度抽拉出极细的蛛丝,而后,人们就可以得到各种各样的蛛丝品。
在美国军方看来,隆巴迪的发明给改善(改革)军用品带来美好的前景。他们希望不久的将来可以用蛛丝制造重量轻、强度大的军用品。例如织成防弹背心,用来取代现在采用的凯夫拉尼龙防弹背心;用来制作头盔、降落伞和降落伞绳;制作帐篷、军装、睡袋、被褥等,也许还可以用来制作光纤材料。
当然,蛛丝蛋白的出现也给纺织界和服装商人展现一片美好的前景,他们设想,将来可以用这种原料织造出美丽的面料,以便做高贵的时装、西装和礼服,做领带、丝袜……如果说,蜘蛛在童话中曾经以它的蛛丝不可能被人类所利用而感到骄傲,那么,现在就该由它们来感到惊异了。它们一定会感到十分纳闷:蜘蛛生产蛛丝的专利,从老祖宗到现在,严格保密已经将近4亿年,怎么到了20世纪的90年代第一春,就被人类给复制出来了呢?