王振东：春蚕到死丝方尽——漫话液体的拉丝现象

　　相见时难别亦难，东风无力百花残。

　　春蚕到死丝方尽，蜡炬成灰泪始干。

　　晓镜但愁云鬓改，夜吟应觉月光寒。

　　蓬山此去无多路，青鸟殷勤为探看。

　　大家知道，这首脍炙人口的七律是唐代诗人李商隐的《无题》。此诗早已被选入包括《唐诗三百首》在内的各种唐诗选本之中。“春蚕到死丝方尽，蜡炬成灰泪始干”是其中最有名的两句。后人常用它来赞美人间忠贞不渝的爱情，歌颂心目中的英雄人物和人类灵魂工程师那种“鞠躬尽瘁，死而后已”的崇高精神。可是您是否曾想到，在这名句之中也蕴含着十分有趣的力学现象。

　　李商隐并没有明确说蚕丝是怎么形成的，但是从古至今，一直有人根据头脑中的“常识”想当然地认为，蚕丝是从蚕的嘴里“吐”出来的。如唐代诗人于濆所写的《野蚕》：

　　野蚕食青桑，吐丝亦成茧。无功及生人，何异偷饱暖。我愿均尔丝，化为寒者衣。

　　与蚕丝成茧类似的现象，还有蜘蛛以丝结网。另一位唐代诗人苏拯的《蜘蛛谕》写道：

　　春蚕吐出丝，济世功不绝。蜘蛛吐出丝，飞虫成聚血。蚕丝何专利，尔丝何专孽。映日张网罗，遮天亦何别。倘居要地门，害物可堪说。网成虽福已，网败还祸尔。小人与君子，利害一如此。

　　在现今的报刊及文学著作中，也经常可见到蚕“吐”丝，蜘蛛“吐”丝的说法。

　　我国当代文学评论家周汝昌先生称“春蚕到死丝方尽，蜡炬成灰泪始干”这一诗句，有“惊风雨的境界，泣鬼神的力量”，并对此诗句作过精彩的注释：“春蚕自缚，满腹情丝，生为尽吐；
吐之既尽，命亦随亡。绛蜡自煎，一腔热血，爇而长流；
流之既干，身亦成烬。有此痴情苦意，几于九死未悔，方能出此惊人奇语。”对于如此精美的注释，笔者亦颇欣赏，但从力学的观点可以提出这样的问题：蚕丝究竟是怎样形成的，是蚕从嘴里“吐”出来的吗？

　　蚕丝是拉出来的

　　现代科学对蚕丝的形成过程已有了明确认识。蚕卵孵化成蚁蚕后，在25～30天内经过5个龄期，蜕4次皮，发育成5龄蚕。5龄蚕食桑6～8天后停止食桑，皮肤透明，成为熟蚕。这时蚕腹的丝腺内充满了由于化学反应形成的黏液体——蚕丝的原料，亦称为丝液。

　　蚕将嘴里的丝液粘到某物体上（丝液中的丝胶起着“粘”的作用），然后蚕的头按照8字形左右摇摆，摇晃着把丝液拉成丝线，靠丝线表面上剩留的丝胶将丝线粘到茧的内侧，这样就慢慢地成了茧。有人做了这样的试验：让一个粘着丝液的物体也随着蚕的脑袋一起摆动，那么从蚕的嘴里就“吐”不出丝线来了。也就是说，如果蚕的脑袋不摆动，丝线就不会“吐出来”。而如果拿住丝线头抽拉，可以连续不断地拉出丝线来；
如果你用剪刀将丝线剪断，蚕就不能再继续拉丝了，于是它的脑袋就在空中摇晃着，试图再找一个拴线的地方拉丝。这个试验说明：蚕丝不是“吐”出来，而是“拉”出来的。

　　养蚕的农家儿童常捉蚕来玩。捉一条又肥又大的即将做茧的蚕，捏住它的头尾，猛地一下左右拉开，这时头尾分离了，而从蚕腹中却拉出一条直径约1毫米、长约30厘米的透明结实的丝线。如果慢慢地拉就不行了，蚕体被拉断后，其体液滴滴嗒嗒地流出来，什么也得不到。

　　为什么快拉能成丝，慢拉就是液体流出来呢？现代科学的研究表明，蚕丝是通过力的作用由丝液拉成的，这个过程称为“牵引凝固”。丝液的主要成分是丝蛋白，丝蛋白的链状分子是线团状态。丝液是黏性液体，它的线团状分子呈圆球状，当你慢慢拉伸时，圆球分子之间只有滑动，没有其他变化，所以整个液体只是流动。当你快速拉伸时，各个分子还来不及流动就被抻开了。被拉开的丝蛋白链状分子有了新的排列，产生了变异，相互靠近的分子之间产生了很强的结合力。这种丝蛋白分子之间的“结合力”虽然比原子之间的作用力弱，但是长链的各链节之间却有很强的结合，所以形成了整体上很结实的蚕丝。

　　蚕腹的丝液直接用手去拉，只能拉成像钓鱼线那样粗的丝线，但如果借助于蚕的嘴就能拉成纤细而漂亮的丝线，其直径可以细到0.002毫米，长度可达1200米左右。蚕的嘴是由“角质蛋白”形成的，嘴巴上有一个“调节口”，当丝液经过它时，可对拉出的流量进行适当的调节。由解剖得知，在蚕的嘴巴上，吃桑叶与出丝的“调节口”是不同的两个口。

　　由上所述，可得如下结论：蚕丝的原料（丝液）在蚕腹中是由于化学反应形成的，而蚕腹中的胶状丝液变成结实而又漂亮的蚕丝却是由于力的作用。蚕丝不是从蚕嘴里“吐”出来的，而是通过蚕嘴巴的流量调节用力拉出来的。除了桑蚕外，柞蚕、蓖麻蚕、木薯蚕、樟蚕、柳蚕和天蚕等也都不是吐丝，而是拉丝的。这就纠正了一些人根据头脑中的“常识”而提出的、没有可靠实验根据的蚕“吐”丝的传统看法。

　　在现代化学纤维工业中，人们正在模仿蚕所做的工作，用“拉伸”的办法制造尼龙和涤纶等各种合成纤维。只是在开始做成丝状时，先要对液体施加很大的压力，使其从一个小孔中挤压出来，再去拉伸。如何又快又好地拉出丝来，正是“流变学（rheology）”中“拉丝流动”所研究的内容（流变学是力学、化学和材料科学交叉形成的新兴分支学科）。实际上目前的技术还比不上蚕，还不能像蚕那样只靠拉牵就能制出漂亮而结实的丝线来。蚕这个小生物身上还有许多问题，有待人们去努力探索。

　　蜘蛛拉丝结网

　　蜘蛛以丝结网与蚕的情况类似，它的肚子里有“蜘蛛液”，从腹部末端（而不是从头部嘴里）拉出丝来。根据化学家的研究，蜘蛛丝的成分与蚕丝的丝蛋白大体相似。蜘蛛为结网拉出的丝有两种：一种是指向外面的，它较结实而光滑；
另一种是一圈一圈的，它很有弹性，并且布满黏液珠。据说，在一个好的蜘蛛网上有25万个以上的黏液珠，以用来粘住飞虫供蜘蛛饱餐。

　　唐代诗人孟郊的五言诗《蜘蛛》是这样描述的：

　　万类皆有性，各各禀天和。蚕身与汝身，汝身何太讹。蚕身不为己，汝身不为他。蚕丝为衣裳，汝丝为网罗。济物既无功，害物日已多。百虫虽切恨，其将奈尔何。

　　宋代诗人范成大在诗《四时田园杂兴》中所写：

　　静看檐蛛结网低，无端妨碍小虫飞。

　　都是这一情况的生动描述。

　　还有一种结草虫，也可以拉出与蚕丝结实程度不相上下的丝，其“巢壳”外表有树叶和小枝缠挂着，“巢壳”的内侧像蚕茧一样结实，用手指都不易戳破它。

　　科学家研究得知，有些种类的蜘蛛其蛛丝和钢丝一样坚硬，却又比钢丝富有弹性，还特别耐寒，在-50℃ ～-60℃的低温下才会变脆发生断裂，而一般聚合物在摄氏零下十几度就会变脆。利用蛛丝的这些特性，若以它为原料制作防弹服装、降落伞等军需物资，在冬季使用时会有极佳的性能。据报道，美国军方已责成有关部门饲养能产坚韧的金黄色蛛丝的巴拿马蜘蛛。这种蜘蛛个大体胖，是一般蜘蛛的十几倍。采集者从蜘蛛腹中引出蛛丝，用镊子夹住末端，将其绕到装有小型电动机的纺缍上。纺缍轻巧地转动，蛛丝也就唾手可得。一般每次可提取蛛丝3～5毫克，每段丝长可达300多米。最令人吃惊的是，使用这种方法抽丝对蜘蛛并无伤害，只要饲养得当，每天都可提取。

　　形形色色的液体拉丝

　　只要稍加留意就可以看到，日常生活中有不少液体也是能拉丝的，比如敲开鸡蛋，将蛋黄取走后，只留下蛋清放在碗里。用筷子慢慢搅蛋清时，你会感到它与普通液体不同。蛋清是搅动一下后能弹缩回来的液体，也是一种向上挑能拉丝的液体。可用筷子插入向上挑一下试试看。当向上挑的速度很慢时，蛋清会像液体一样流下来，不拉丝；
当向上挑的动作很快时，蛋清不粘筷子，也不拉丝；
可是当向上挑的速度适当时，蛋清就拉丝了。当蛋清拉的丝断了的时候，还可看到在断开的一瞬间会像橡皮条那样稍有收缩。山药汁（将山药捣碎制取的黏液）以及婴儿流的口水，情况也都与此相似。这些液体能拉丝，也跟蚕的丝液能拉出丝一样，是因为它们有黏性和弹性的双重性质。

　　动物与植物的“黏液”大多具有黏性和弹性的双重性质，比如蜗牛和蛞蝓的黏液，人的唾液、痰、鼻涕，鳝鱼的黏液，海藻表面的黏液，芋头的黏液等。这些液体用力搅动后都能表现回缩的弹性，向上挑的速度合适的话也能拉出丝来。研究表明，在液体拉丝现象中，黏滞性起主要作用，弹性起辅助作用。也就是说，可流动性是拉丝的基本条件，再加上可伸缩的弹性，才能出现拉丝的现象。

　　有些食品以能拉出丝来而著名，如主产于河北沧县和山东乐陵的“金丝小枣”，以核小、肉厚、色鲜、味浓、糖多、质细著称，购买时鉴别质量是否上乘的主要标准，是用手抓住小枣两头，猛一撕开后，看是否能拉出很多金色的丝。成语“藕断丝连”，描述了鲜藕切断后，藕中所含黏液被拉出丝的情景。菜肴中有一道拔丝菠萝（或拔丝苹果、拔丝山药），就是用炒糖稀做成黏液裹在上面，以能拉出许多糖丝而著称。当然也有的食品，在新鲜的时候不会有拉丝，腐坏了才容易拉丝，人们也常以此来判断这些食品是否腐坏变质了，比如农历八月十五中秋节时的月饼。

　　关键词：液体拉丝 蚕 蜘蛛

　　（本文原刊登于《科学》2004年56卷5期,作者授权天益发布）

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