橫紋金蛛卵袋絲的力學(xué)行為與生物學(xué)功能之間的關(guān)系

蔣平， 吳麗華， 廖信軍， 龍婉婉， 王安萍， 郭聰

(1. 井岡山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，生態(tài)環(huán)境與資源研究所，江西省生物多樣性與生態(tài)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西吉安343009； 2. 井岡山大學(xué)商學(xué)院，江西吉安343009； 3. 四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，生物資源與生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610065)

蜘蛛絲是蜘蛛4億年進(jìn)化的結(jié)果(Garwoodetal.，2016)，其適應(yīng)進(jìn)化和生物學(xué)功能塑造了特有的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)和性能(Swansonetal.，2006；Blackledgeetal.，2012a，2012b；Madurgaetal.，2016)。蜘蛛絲具有優(yōu)良的機(jī)械性能與特性(Goslineetal.，1986；Vollrath，2000；Kubik，2002)，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、組織工程材料、新型特種纖維、國防、航天航空、日常生活等領(lǐng)域(Viney，2004；Lefèvre & Auger，2016)。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)并命名的蜘蛛有47 297種(World Spider Catalog，2018)，它們分布極廣，生活史多樣，可在幾小時(shí)內(nèi)耐受超過30 ℃和70%相對濕度的變化幅度，為適應(yīng)復(fù)雜多變的生態(tài)環(huán)境，蜘蛛絲纖維在組成、結(jié)構(gòu)、性能與生物學(xué)功能等方面均呈現(xiàn)出種間和種內(nèi)多樣性(Blamiresetal.，2017)。因此，蜘蛛絲已成為一種研究纖維材料結(jié)構(gòu)、性能與功能之間關(guān)系的良好模式纖維(Fangetal.，2016)。為此，在了解橫紋金蛛Argiopebruennichi卵袋結(jié)構(gòu)和組成的基礎(chǔ)上(蔣平等，2011)，采用電子單纖強(qiáng)力儀對其卵袋框絲、卵袋內(nèi)層絲與卵袋外覆蓋層絲被3種不同功能蜘蛛絲的力學(xué)行為進(jìn)行測試，采用電子天平對卵袋絲的生物學(xué)功能進(jìn)行量化，擬探明蜘蛛卵袋絲的力學(xué)行為與生物學(xué)功能之間的關(guān)系。本研究將加深人們對蜘蛛絲的結(jié)構(gòu)、力學(xué)行為和性能與生物學(xué)功能之間關(guān)系的認(rèn)識(shí)和理解。

1 材料與方法

1.1 材料來源及測量

56只雌性橫紋金蛛均于2016年8月20—26日采自江西井岡山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)。飼養(yǎng)方法與卵袋收集參考蔣平等(2011a，2011b，2011c)。選取其中4只，用干凈的鑷子、刀片和剪刀從完整的卵袋上將黃色的框架絲取下，然后對卵袋進(jìn)行解剖，并收集不同顏色的卵袋層，用于力學(xué)行為測式。采用電子天平(A1204型Mettler Toledo，精確度為0.1 mg)稱量卵袋、卵塊和蜘蛛的質(zhì)量。

1.2 力學(xué)行為的測試

采用LLY-06B型電子單纖強(qiáng)力儀(萊州市電子儀器有限公司)，在夾持距20 mm，下降速度10 mm·min-1，溫度20 ℃，濕度65%的條件下，對蜘蛛絲進(jìn)行拉伸測試。其中，卵袋外覆蓋層絲被直接剪成寬3 mm、長25～30 mm的樣品。通過掃描電鏡觀察測量與絲樣品相鄰近的絲可獲得絲纖維的最初直徑，然后使用等式π(D0/2)2L0=π(D/2)2L，把相對應(yīng)的負(fù)荷-位移曲線轉(zhuǎn)換成應(yīng)力-應(yīng)變曲線，獲得蛛絲的力學(xué)性能參數(shù)(Pérez-Rigueiroetal.，2001，2002；Guineaetal.，2005，2006；蔣平等，2010a，2010b，2010c，2011；Jiangetal.，2011，2014)。在進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)前應(yīng)小心，以免將絲纖維拉伸。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種卵袋絲的力學(xué)行為

力學(xué)行為測試結(jié)果表明，卵袋框絲(圖1)具有與典型蜘蛛拖牽絲相似的力學(xué)行為，表現(xiàn)為較復(fù)雜的負(fù)荷-位移曲線，由初始的彈性區(qū)、屈服點(diǎn)、屈服區(qū)和上揚(yáng)的加強(qiáng)區(qū)及斷裂點(diǎn)組成；卵袋內(nèi)層絲(圖2)的力學(xué)行為與卵袋框絲不同，由初始的彈性區(qū)、屈服點(diǎn)或很小的屈服區(qū)、較平緩的加強(qiáng)區(qū)及斷裂點(diǎn)組成，對屈服區(qū)投入很小；而卵袋外覆蓋層絲被(圖3)的力學(xué)行為與卵袋內(nèi)層絲相似，但曲線表現(xiàn)較為平緩，無明顯的屈服點(diǎn)。

圖1 橫紋金蛛卵袋框絲拉伸力學(xué)行為Fig. 1 Tensile behavior of the scaffolding silk from egg-case of Argiope bruennichi

圖2 橫紋金蛛卵袋內(nèi)層絲拉伸力學(xué)行為Fig. 2 Tensile behavior of the inner cover silk fiber from egg-case of Argiope bruennichi

圖3 橫紋金蛛卵袋外覆蓋層絲被拉伸力學(xué)行為Fig. 3 Tensile behavior of the outer silk cover from egg-case of Argiope bruennichi

橫紋金蛛卵袋絲負(fù)荷-位移曲線的屈服點(diǎn)和斷裂點(diǎn)力學(xué)性能參數(shù)結(jié)果表明(表1)，卵袋內(nèi)層絲的屈服點(diǎn)負(fù)荷與伸長及斷裂點(diǎn)伸長均比卵袋框絲高，但斷裂點(diǎn)負(fù)荷比卵袋框絲低。卵袋外覆蓋層絲被斷裂點(diǎn)伸長為1.60 mm±0.12 mm，斷裂點(diǎn)負(fù)荷卻高達(dá)131.00 cN±8.68 cN，并且3種絲樣品間的差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。這表明橫紋金蛛卵袋框絲有較大的斷裂點(diǎn)負(fù)荷，但是延展性較差，屈服點(diǎn)較低；卵袋內(nèi)層絲的斷裂點(diǎn)負(fù)荷較低，但延展性較好，屈服點(diǎn)較高；而卵袋外覆蓋層絲被的屈服點(diǎn)和斷裂點(diǎn)負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于卵袋內(nèi)層絲和卵袋框絲，延展性較差。

表1 橫紋金蛛卵袋絲纖維力學(xué)性能參數(shù)Table 1 Tensile properties of egg-case silks of Argiope bruennichi

2.2 卵袋框絲反復(fù)拉伸的力學(xué)行為

力學(xué)行為測試結(jié)果表明，卵袋框絲可反復(fù)拉伸3～4次，有的可以反復(fù)拉伸9次(圖4，表2)。卵袋框絲在反復(fù)拉伸的過程中，經(jīng)過絲的屈服點(diǎn)后，其加強(qiáng)區(qū)發(fā)生改變，均比第一次更加上揚(yáng)，即后面拉伸的加強(qiáng)區(qū)力學(xué)性能均比第一次好；屈服點(diǎn)先升高后降低，絲纖維第一次拉伸的屈服區(qū)均比后面反復(fù)拉伸的更明顯，投入更多，即在后面拉伸過程中絲纖維發(fā)生的分子結(jié)構(gòu)改變比第一次小；斷裂點(diǎn)伸長表現(xiàn)為逐漸下降的趨勢，但斷裂點(diǎn)負(fù)荷卻在反復(fù)拉伸過程中有的增加，有的減小。從反復(fù)拉伸9次的個(gè)體4可以看到，絲纖維從第二次到第四次拉伸，其屈服點(diǎn)升高，彈性區(qū)的投入增加，隨后幾次的拉伸過程中，屈服點(diǎn)下降，彈性區(qū)的投入減小。

2.3 卵袋絲力學(xué)行為與蜘蛛生物學(xué)功能的關(guān)系

橫紋金蛛的卵塊質(zhì)量為200～400 mg，即重量為0.2～0.4 cN；雌蛛個(gè)體質(zhì)量為400～1 200 mg，即重量為0.4～1.2 cN。因此，結(jié)合表3數(shù)據(jù)可知，若卵塊質(zhì)量為400 mg(0.4 cN)，則將卵袋框絲拉至屈服點(diǎn)(屈服點(diǎn)負(fù)荷)所需要的力(0.50 cN±0.07 cN)是卵塊重量的1.25倍，將其拉斷(斷裂點(diǎn)負(fù)荷)所需的力(2.60 cN±0.30 cN)是卵塊重量的6.5倍；將卵袋內(nèi)層絲拉至屈服點(diǎn)所需要的力(0.90 cN±0.06 cN)是卵塊重量的2.25倍，將其拉斷所需要的力(1.60 cN±0.04 cN)是卵塊重量的4倍；將卵袋外覆蓋層絲被拉至屈服點(diǎn)所需要的力(79.80 cN±7.13 cN)是卵塊重量的199倍，將其拉斷所需要的力(131.00 cN±8.68 cN)是卵塊重量的327.5倍。若蜘蛛體質(zhì)量為1 200 mg(1.2 cN)，則將卵袋框絲拉斷所需的力是蜘蛛重量的2.2倍；將卵袋內(nèi)層絲拉斷所需要的力是蜘蛛重量的1.3倍；將卵袋外覆蓋層絲被拉至屈服點(diǎn)所需要的力(79.80 cN±7.13 cN)是蜘蛛重量的66.5倍，將其拉斷所需要的力(131.00 cN±8.68 cN)是蜘蛛重量的109倍。綜上，橫紋金蛛卵袋框絲、卵袋內(nèi)層絲和卵袋外覆蓋層絲被的屈服點(diǎn)和斷裂點(diǎn)負(fù)荷遠(yuǎn)大于卵塊和蜘蛛的重量。

3 討論

3.1 3種卵袋絲的力學(xué)行為

蜘蛛絲是一種半結(jié)晶的高分子聚合物(Dongetal.，1991)。結(jié)晶相主要由An或(GA)n氨基酸基序的β-折疊構(gòu)成，分子間作用力較大，賦予蜘蛛絲高強(qiáng)度和高模量；非結(jié)晶相由富含甘氨酸的(GGX)n或(GPGXX)n或(GPGQQ)n基序的無定型結(jié)構(gòu)和微孔構(gòu)成(Frischeetal.，1998)，賦予蜘蛛絲良好的延展性和彈性。

圖4 橫紋金蛛卵袋框絲反復(fù)拉伸力學(xué)行為Fig. 4 Repeated tensile behavior of the scaffolding silk from egg-case of Argiope bruennichi

卵袋框絲伸長，其負(fù)荷呈線性上升趨勢，當(dāng)拉伸應(yīng)變至1.6%左右時(shí)，出現(xiàn)第二類屈服(楊湧等，2001)，曲線呈現(xiàn)出明顯的轉(zhuǎn)折，拉伸至屈服點(diǎn)后，負(fù)荷趨于平緩或有較小的下降，模量驟降，隨后負(fù)荷和模量再次升高，出現(xiàn)成頸現(xiàn)象，成頸行為有利于對所受外力(如天敵捕食卵塊時(shí))的緩沖，更好地耗散其動(dòng)能；卵袋內(nèi)層絲表現(xiàn)為：當(dāng)拉伸應(yīng)變至5.2%左右時(shí)，出現(xiàn)第二類屈服(楊湧等，2001)，拉伸至屈服點(diǎn)后，負(fù)荷緩慢增大，然后趨于平緩，模量驟降，無成頸現(xiàn)象，但增加了彈性區(qū)的投入，表現(xiàn)出良好的延展性，屈服點(diǎn)高。這一策略與卵袋內(nèi)層絲較少受到很大外力作用相符，其為卵塊和若蛛的發(fā)育提供支持和保護(hù)的功能(蔣平等，2010b，2010c，2011；Jiangetal.，2011)。卵袋外覆蓋層絲被主要由大直徑的柱狀腺絲與少量的小直徑葡萄狀腺細(xì)絲組成，其力學(xué)行為與僅由柱狀腺絲構(gòu)成的卵袋內(nèi)層絲相似，也與蠶絲和蠶繭絲被力學(xué)行為相似(Pérez-Rigueiroetal.，2002；Zhaoetal.，2005；Jiangetal.，2006)，對屈服區(qū)的投入介于前二者之間。但柱狀腺絲與蠶絲的氨基酸組成截然不同，其相似的力學(xué)行為的分子機(jī)制還不清楚，有待進(jìn)一步深入研究。雖然蠶繭與蜘蛛卵袋都是絲蛋白纖維構(gòu)成，但二者的生物學(xué)功能完全不同。蠶繭是蠶休眠期即蛹期織制的袋形保護(hù)層(Danks，2004)，而蜘蛛卵袋是蜘蛛生活史早期用于支持和保護(hù)卵塊和若蛛的類絲繭狀物。因此，蜘蛛卵袋絲與蠶繭絲的力學(xué)性能投入策略有所不同(蔣平等，2011)。

3.2 卵袋框絲反復(fù)拉伸的力學(xué)行為

根據(jù)已有蜘蛛拖牽絲在拉伸過程中蛋白質(zhì)分子構(gòu)象變化的研究(Sirichaisietal.，2000)，由于橫紋金蛛卵袋框絲第一次拉伸的屈服區(qū)比再次拉伸的屈服區(qū)長，即有更多的投入，因此，在第一次拉伸過程中發(fā)生了更多的α螺旋或者無規(guī)則卷曲等向β折疊的構(gòu)象轉(zhuǎn)變，以便更好適應(yīng)卵袋框絲高斷裂強(qiáng)力的生物學(xué)功能要求，為卵袋提供了很好的固定與支持。本研究中，卵袋框絲的反復(fù)拉伸次數(shù)最高可達(dá)9次，第一次拉伸時(shí)絲的力學(xué)性能并未處于最佳狀態(tài)，而從第二次開始在一定的拉伸次數(shù)內(nèi)，絲的力學(xué)性能趨于穩(wěn)定，即在一定的拉伸次數(shù)內(nèi)，卵袋框絲隨著拉伸次數(shù)的增加，其力學(xué)性能達(dá)到一種最佳狀態(tài)。這種力學(xué)性能被拉伸的頻次效應(yīng)與文獻(xiàn)中蛛絲被紡出后隨著放置時(shí)間的延長，其力學(xué)性能有所提高，然后趨于平穩(wěn)的時(shí)間效應(yīng)一致(Elicesetal.，2005)，均涉及蛛絲壽命。但大壺狀腺絲在蜘蛛的自然生活史中功能發(fā)揮的主要表現(xiàn)形式就是被反復(fù)拉伸，如在捕食獵物時(shí)，由大壺狀腺絲組成的網(wǎng)的鉚釘絲、框絲和半徑絲會(huì)隨著網(wǎng)面來回被反復(fù)拉伸。因此，本研究蜘蛛卵袋框絲的反復(fù)拉伸特性是蛛絲為適應(yīng)其生物學(xué)功能長期進(jìn)化而來，也是其微觀生態(tài)學(xué)進(jìn)化的反映。這種反復(fù)拉伸特性也是蜘蛛絲機(jī)械性能策略(蔣平等，2011)的另外一種表現(xiàn)，但還有待進(jìn)一步深入研究。

3.3 卵袋絲力學(xué)行為與蜘蛛生物學(xué)功能的關(guān)系

橫紋金蛛卵袋絲的屈服點(diǎn)和斷裂點(diǎn)負(fù)荷均為卵塊重量的數(shù)倍，由此可見，雌蛛在后代的保護(hù)方面投入巨大。不同絲腺體絲的屈服點(diǎn)和斷裂點(diǎn)負(fù)荷不同，單根卵袋內(nèi)層絲就能夠承受整個(gè)卵塊的重量，說明蜘蛛絲的結(jié)構(gòu)與性能是以最佳優(yōu)化組合來保證卵袋能支持、保護(hù)卵塊和若蛛，并為若蛛的生長發(fā)育提供一個(gè)安全的環(huán)境。卵袋框絲細(xì)絲纖維組成變化大(蔣平等，2011)，拉伸力學(xué)行為變化也較大，其單絲的拉伸行為重復(fù)性很差，這表明蜘蛛能通過改變絲纖維的直徑與分子結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)絲纖維的力學(xué)性能，以適應(yīng)卵袋所處的異質(zhì)環(huán)境；而卵袋內(nèi)層絲均為單絲纖維，且直接變化較小，其拉伸行為也表現(xiàn)出良好的重復(fù)性，這表明蜘蛛能通過某種機(jī)制來精確控制絲纖維的分子結(jié)構(gòu)，使其力學(xué)性能具有良好的重復(fù)性，適應(yīng)卵塊所處同質(zhì)穩(wěn)定的微環(huán)境。

研究表明，蜘蛛絲可以通過截然不同的力學(xué)性能來實(shí)現(xiàn)相同或不同的生物學(xué)功能：如，均紡自大壺狀腺的蛛網(wǎng)框絲與三維陷阱外面部分的攔截絲，分別以高強(qiáng)度和具有反復(fù)拉伸特性與低強(qiáng)度和不具有反復(fù)拉伸特性一同來耗散吸收獵物的動(dòng)能，從而實(shí)現(xiàn)捕獲獵物的生物學(xué)功能(Moore & Tran，1999；Vollrath，2000)。而本研究表明，紡自大壺狀腺的卵袋框絲與僅紡自柱狀腺的卵袋內(nèi)層絲和主要紡自柱狀腺的卵袋外覆蓋層絲被，以較大的屈服區(qū)投入、具有反復(fù)拉伸特性和較大的力學(xué)行為變異性與較大的彈性區(qū)投入和力學(xué)行為良好的重復(fù)性分別完成鉚釘卵袋與保護(hù)卵塊和若蛛的功能。這可為人們進(jìn)行新型絲纖維材料的仿生設(shè)計(jì)提供相關(guān)理論依據(jù)。