《改變世界史的12種新材料》：紡織出帝國的材料──蠶絲蛋白

編按

文／佐藤健太郎

蠶絲的祕密

蠶絲的主要成分是名為絲蛋白的蛋白質。在研究蠶絲時發現，蛋白質這個化合物由排成長列的胺基酸所組成，在生物體中極為重要，可以完成重要任務。二十世紀初，德國的化學家赫爾曼．埃米爾．費歇爾（Hermann Emil Fischer，一八五二～一九一九）在絲蛋白的降解產物中，發現了各種胺基酸。蠶絲在生物化學的研究史上，也扮演了極重大的角色。

如前所述，蠶絲線非常結實而耐用。這實在讓人感到不可思議，因為蛋白質非常容易腐化。同樣以蛋白質為主要成分的食用肉類，在天氣熱的時候放置在戶外，不用幾個小時就會因為細菌大量繁殖，造成蛋白質溶解。細菌釋放出來的消化酶會將蛋白質分解為胺基酸單位，最後還原成二氧化碳與水。

但是，蠶絲與食用肉不一樣，歷經幾千年也不會被細菌分解。這是因為構成絲蛋白的胺基酸鏈含有多種被稱為β褶板（β-sheet）與β轉折（β-turn）的摺疊方式。這個構造很難解開，能夠強力對抗消化酶的攻擊。

另外，近年來人們也知道絲蛋白中含有被稱為胰蛋白酶抑制劑（trypsin inhibitor）的蛋白質。胰蛋白酶抑制劑與胰蛋白酶（消化酶的一種）結合的話，可以阻斷胰蛋白酶的作用。胰蛋白酶抑制劑應該能夠保護蠶絲免到消化酶侵襲，因此蠶絲被稱為天然防腐劑。

絲蛋白在蠶體內時是黏稠的液體，但從蠶的嘴裡吐出來時，卻形成可以拉得很細很長的絲線，這被認為是一種富含β褶板的結構。從液體的狀態瞬間變成堅韌的纖維，實在不可思議。在其他的所有蛋白質上，看不到這種現象。如此堅韌的絲蛋白纖維束成一股的蠶絲有著驚人的強度，比同樣粗的鋼絲更不容易切斷。

剛剛從蠶的嘴巴裡吐出來的絲，絲蛋白周圍覆蓋著被稱為絲膠的蛋白質。絲膠黏合絲與絲，有讓繭保持形狀的功能。從繭抽絲前，必須先經過煮繭的過程，這個過程就是溶解絲膠，打開繭的作業。

一旦去除了絲膠，纖維內部就會出現無數的空隙，讓濕氣可以進入，蠶絲因此具有良好的吸水性。再者，因為內部的空氣可以隔熱，所以蠶絲也能保溫。此外，蠶絲是絲蛋白纖維形成三角形的束，會讓光折射、反射，顯示出漂亮的光澤。儘管蠶絲只是由單純的胺基酸所組成，卻擁有驚人的構造。

如絲綢這麼優秀的纖維品不可能不吸引古時的人。東漢時期就已經發展出製造絲綢的高度技術，並以絲綢與外族交易，並受到國家極大的重視，所以保密製造絲綢的技術。貴重的絲綢透過商人的手，終於傳到了遙遠的羅馬。

被運送到歐洲的絲綢，在羅馬博得了極高的評價。絲綢的價格高漲，幾乎與同重量的黃金相同，讓第一代羅馬皇帝奧古斯都祭出了禁止穿戴絲綢的命令。四世紀初的羅馬皇帝戴克里先（Diocletian）在位時，一斗（modius，相當於九公升）大麥的價格是一百第納里烏斯（denarius，古羅馬貨幣），而三百公克的白色絲綢卻要價一萬兩千第納里烏斯。絲綢讓人難以抗拒的魅力，吸走了羅馬許多黃金，這與羅馬帝國經濟的弱化也有相當的關聯。

絲路的主要路線

中國與羅馬的交易路線，就是所謂的絲路。說到「絲路」，我們首先想到的是沿著中亞綠洲往西行的「綠洲之路」，但事實上穿越過哈薩克斯坦等草原地帶的「草原之路」，和東起東海，經過印度洋，朝阿拉伯半島前途的「海洋之路」，也對絲綢的運送發揮了作用。

絲路可以說是人類史上首次建立起跨越歐亞大陸的貿易路線，意義非常大。東西方人物與文化的活躍交流，喚來無數發明與文明的發展，與歐洲文明後來稱霸世界息息相關。提出這種主張的人是名著《槍炮、病菌與鋼鐵：人類社會的命運》（Guns, Germs, and Steel: The Fates of Human Societies）的作者（一九三七～）賈德．戴蒙（Jared Mason Diamond）。

在交易上，絲綢也扮演了貨幣的角色。絲綢人人喜歡、重量輕、方便運送，又只能夠購買所需要的量，其實也滿足了成為貨幣的條件。從這一點來看，絲綢在東西方的交流上，發揮了很大的作用。

在日本，絲綢也扮演了貨幣的角色。在大化革新的稅制上，有以下的規定金：國民有義務把以絲綢為首的布類，當作稅金繳納（租庸調的「調」）。還有，絲綢也常被拿來奉獻給寺廟或神社及獎勵有功者。

西歐諸國對辛香料的需求，帶動大航海時代的展開，驅動了歷史的變化，這一點大家都知道。不過，如此看來，絲綢的重要性可以說完全不亞於香料，也成為撼動歷史的力量。

絲的帝國

在日本的平安時代，用絲綢織成的色彩豐富的衣服非常受歡迎，豐富了貴族的生活。但是進入鎌倉時代，武士的世代來臨後，人們改為喜好樸素的衣服，絲綢文化就略顯暗淡。到了江戶時期，絲綢屢屢成為節儉令禁止的對象，是一般老百姓無法企及的貴重物品。

雖然如此，絲綢的需求並未因此消失，生絲主要從中國輸入，而日本也付出了許多銅錢做為代價，幕府因此推出了獎勵養蠶的政策。到了江戶末期，日本的製絲事業開始機械化。

進入明治時代之後，日本的養蠶業受到矚目。當時中國的清朝發生太平天國之亂（一八五一～一八六四），對養蠶業造成重大打擊，而法國與義大利又出現了蠶的疫情，讓日本的生絲輸出大幅成長。一八七二年，明治政府決定從法國招攬技術人員，成立官方製絲廠。澀澤榮一（一八四○～一九三一）就是這個時期的代表人物。

澀澤在幕府末期時曾經去法國參觀過先進的製絲工廠。當時的日本政府對養蠶的詳細資訊並不清楚，所以澀澤一肩扛起從開始建設製絲廠，到建立輸出蠶種、獎勵養蠶規制等業務。

群馬縣的富岡一直以來都是蠶繭的一大集聚地，在這裡建廠能夠確保擁有寬闊的土地。澀澤於是決定在富岡建立機械製絲廠，使機械製絲廠成為育種行業的支柱。這就是著名的富岡製絲廠的開端。

澀澤之後除了創立了第一國立銀行（現在的瑞穗銀行）、東京證券交易所之外，還創建了五百餘家企業，被稱為「日本資本主義之父」。因為澀澤的這些成就太過輝煌，掩蓋了他對富岡製絲廠的貢獻，但穩固富岡製絲廠的基礎，他的功勞確實很大，值得表揚。

製絲廠大規模生產、輸出的生絲一舉成為日本的基礎產業。一九二二（大正十一）年，日本的生絲輸出總額，占日本總輸出額的四八．九％。靠著這樣取得的外匯，日本得以推動工業化與富國強兵政策，在明治維新之後短短數十年就能夠與歐洲列強並駕齊驅，入列世界強國。而讓日本成為強國的，只是一種昆蟲的幼蟲吐出來的細絲。

生產蠶絲的技術也經過多次改良。例如一九○六（明治三十九）年，動物學者外山龜太郎便提倡第一代雜交種。外山發現日本產的蠶與國外蠶交配後的雜種蠶比他們的父母更強健，所吐出的蠶絲量也更多。成為現代農業與畜牧業等領域理所當然使用的混合物種，就是以外山的發現為基礎發展出來的。

外山之後的育種改良也繼續進行，提高了蠶絲的產量。明治三○年代時，生產一大捆生絲需要約一百八十四萬顆繭，但到了昭和五○年代時，卻只要十九萬顆左右，換算起來，一顆繭的生絲產量足足提高了大約十倍。

在育種改良下，蠶絲產量確實大幅提高，但蠶也完全失去了野生的能力。幼蟲不能靠自己的力量爬樹幹前行，成蟲的蠶蛾也不能在空中飛。現代的蠶所攝取的蛋白質，有六～七成轉換成蠶絲，已經變成超高效率的製絲機器。可以說蠶是所有家畜中唯一完全失去返回野生能力的生物。

變成巨大產業的製絲業，也造成多種不良影響。大家都知道，富岡製絲廠有先進的工作環境。但是有許多女性在工作條件惡劣的環境中工作，不少人因此罹患結核病而喪命，就如《女工哀史》、《啊，野麦峠》等作品所敘述。當時的報載，一千名女工死了十三名，但事實上也有不少女工回到故鄉後，才因為結核病而死。結核病因為散播到日本各地，成為日本人的國病。為了日本的近代化，日本付出了相當大的代價。

戰後，化學家發明了尼龍與聚酯等優秀的合成纖維，做為蠶絲的代替品。這些合成纖維的質地不如蠶絲，但是價格便宜，能保暖，也適合染色，所以很快就打敗了長期以來保有王座的蠶絲市場。不可否認的是，科技驅逐了長時間陪伴人類的蠶絲這個材料，也讓從事製絲工作者從嚴酷的工作中獲得解放。

高科技的時代

二○一四年，支撐明治時期日本的富岡製絲廠被登錄為世界遺產，其存在成為歷史的一頁。桑田這個地圖符號，也在二○一三年廢除，從日本的教科書上消失。人們平常看到蠶絲的機會變少，年輕的一代中或許有人從來沒有使用過絲綢製品吧。

然而另一方面，與現代科技融合的腳步繼續發展中，被稱為蜘蛛絲纖維的產品，就是其中具代表性的發明。蜘蛛與蠶都是大家熟知會吐出蛋白性質絲的蟲，據說其強度是製作防彈背心的克維拉纖維（Kevlar）的三倍，伸縮性也很強。

但蜘蛛絲與蠶絲不同之處，在於蜘蛛絲沒有受到實際使用。原因是一隻蜘蛛能生產的絲量很少，更重要的原因是蜘蛛有互食性，會互相殘殺，無法大量養殖。

組合蠶與蜘蛛的基因，製作可以代替蠶絲的研究正在進行中，那就是蜘蛛絲纖維。輕而極強韌、不會引起過敏反應的蜘蛛絲纖維受到期待能夠廣泛應用在從軍事到再生醫療的許多領域上。

二○一六年，中國的清華大學研究小組進行了一項實驗，把被稱為夢幻碳材料的奈米碳管與石墨烯加入水中，再噴撒在桑葉上餵蠶。結果顯示，蠶吃了那樣的桑葉所生產的絲具有高強度，經過高溫處理後還能夠通電。老實說，這個結果讓人難以相信，不過，根據這樣的研究，蠶絲這個傳統材料很有可能出現新的可能。

因為無盡的魅力而不斷推動歷史的蠶絲這個傳統材料，如今似乎正被付予新的面貌。與人類一起生活了數千年的蠶絲，再經過百年、千年後，會變成什麼樣子呢？光是用想的，就讓人覺得興味十足，不是嗎？

（本文摘自 麥田出版 ／城邦文化《改變世界史的12種新材料：從鐵器時代到未來超材料，從物質科學觀點看歷史如何轉變》；為閱讀需要，部分擷取內容有些許調整。）

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• 書名：《改變世界史的12種新材料：從鐵器時代到未來超材料，從物質科學觀點看歷史如何轉變》
• 作者：佐藤健太郎
• 出版社：麥田出版
• 出版日期：2021/06/10

作者簡介

佐藤健太郎 一九七○年出生於日本兵庫縣，東京工業大學大學院理工學研究科碩士課程結束後，曾任職於醫藥品製造公司的研究單位、東京大學大學院理學系研究科公共關係特任助教，現在是科普作家。二○一○年以《醫藥品危機》（新潮新書）獲得科學記者獎，二○一一年獲化學通訊獎。主要作品還有《改變歷史的元素之王──碳》（臉譜出版）、《藥王簡史》（大是文化）等。

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