20年前，尼尔 • 门德尔森（Neil Mendelson）首次描述了一个能够自动捻缠成绳状螺旋纤维的细菌突变体菌株时，他的微生物学同行们认为那只是种好奇心，微生物世界许许多多中的一种而已。更由于门德尔森仅仅是亚利桑那大学的一名普通的教授，他自己又把研究的范围局限并集中在这些细菌离奇的捻缠和转变上。因此，对待批准他申请承认的理由便骤然降温，而且对待他已经发表在认真审查过的《微生物杂志》上的许多论文也是如此。

但是，门德尔森奇特的微生物却在一些远离微生物学的、意想不到的领域中有了发展。它们在数学家、工程师和物理学家中赢得了青睐。他们都愿意和U德尔森合作，用这种微生物纤维帮助解决了长期存在于弹性理论中模拟太阳耀斑的问题，而且还制成了一种新的能用于医学移植的硅质材料。纽约西拉丘萨大学的微生物学名眘教授拉尔夫 • 斯莱皮奇（Ralph Slepecky）说，门德尔森是“一位主流之外的开拓者，但是他的研究被证明是有用处的。”

激励这种跨学科努力的是一种普通的，长约4微米、直径约0.7微米的叫作枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）的杆状细菌突变体。1975年，门德尔森发现了有一个在细胞分裂后、子细胞缺乏正常分离酶的菌株，它们的子细胞和母细胞像念珠般地粘连在一起生长。各个连在一起的细菌细丝自动地捻缠并多次对折后，由100根以上这样的细丝组成一根粗的绳状螺旋卷。门德尔森称这些绳状螺旋卷为“大纤维”。在细菌这种自动组装的独特倾向受到一些微生物学家冷淡的同时，却引起了物理学家们的兴趣。

例如，1992年当亚利桑那大学的应用数学负责人迈克尔 • 泰珀（Michal Tabor）第一次看到大纤维自动组装的过程时，就意识到他找到了一种具有柔韧弹性细丝的活的动力模型。泰珀说，数学家们模拟这些细丝捻缠的方法已有一个多世纪了，但是绝大多数的模型都是静止的——仅只描述了开始和结束时的结构，而没有复杂的中间阶段——他的研究组包括博士后阿兰 • 戈里莱（Alain Goriely），花费了数年的时间来观察B. subtilis——活的和录像带——展开了大纤维的捻缠和成卷的新的动力方程式。他们的解析阐明了大纤维卷动时形式上无法预言的方面：两维捻缠如何形成纽结，或者如何从一个平面出现，给它们的外形加以第三维。泰珀说，许多天然的系统，如细菌的自动捻缠比依靠外力捻缠的橡皮筋模式更好。

数学家们称之为移入第三维“扭动”。泰珀的模型表明扭动来自微妙的数学不稳定性。当研究者在其方程式中改变某些变项时，其解答就需要一个移入三维。泰珀说，这些数学的不稳定性，很像是弹性细丝的固有特性，虽然他并不了解它们符合什么样的物理特性。参与门德尔森协作的剑桥大学机械工程师约翰 • 思韦茨（John Thwaites）补充说，由于弹性理论是用来模拟从超卷曲DNA到星球中磁场线各种事物，这种新的模型就有了充分利用的价值。

事实上，泰珀的弹性细丝模型已经应用于太阳磁通量管的变化过程。这些磁场线束组成的结构会形成日斑，并且能够触发太阳表面巨大的磁爆，即所谓的太阳耀斑。这些如同磁场窄束的管从太阳内部显露出来，浮到表面出现日斑。长尾巴能模拟弹性细线拖曳折回内层，因为和它们联在一起的离子化气体具有质量，并在内部固定住磁通量管。波兹曼蒙大拿州立大学（MSU）的物理学家达纳 • 朗科普（Dana Longcope）解释说，由于一端增加了重量，细丝便获得张力。

朗科普说，理论家们对太阳表面上张力造成通量管捻缠以及触发日斑应该如何解释，曾经有过一段困难的时日。后来，和泰珀一道工作的MSU的数学家艾萨克 • 克拉珀（Isaac Klaper）展示出朗科普超卷曲细菌的新弹性模型。朗科普说：“我知道这些能够解释磁通量管的方程式。但令人惊讶的却是它们来自细菌的启发。”当应用于太阳时，模型显示出因为它们的平面扭动、捻缠的磁通量管便释放出其贮存的能蜇，由此而引发太阳光斑。朗科普和克拉珀在《天体物理学月刊》上发表的一篇论文中阐述了这些内容。克拉珀说，“模拟太阳通量管是了解它们的首要步骤，这样才有可能预言由日斑放射出的能量颗粒会危害卫星。”

与此同时，材料科学家们对B. subtilis的突变体采用了另一条研究路线。在密集培养的条件下，分离的菌株变得彼此缠结而形成网，很像一碗实心的意大利面条。门德尔森则发明了一种装置，能从网状体中拉出长度以米计的线，每根线包含着30，000根以上同样的细菌细丝。英国巴斯大学的材料化学家斯蒂芬 • 曼说（Stephen Mann）说：“它很像尼隆的钓色线。”

门德尔森还发现，由于B. subtilis的细胞壁含有两个能吸引正电荷矿物质的负电荷多聚体，由其所组成的线在溶液中便能和铁、钙和铜等矿物盐相结合，而得以包装和加固，形成一根透明的纤维结构——从而打开了富有潜力的新材料的全部领域。根据所结合的不同矿物质，这些细菌——矿物质组成的混成体，看起来就像一根根红的、黑的、绿的或者是银色的玻璃纤维，人们称其为仿生制品。按比较，这种仿生制品比钢还要坚固，而且还可以进行生物降解和还原处理。

最近的仿生制品研究工作中，曼、门德尔森和同事们制造出可以用于医学移植的硅的仿生制品。对于移植来说，普通的硅是个好的候选者，因为它是完全惰性的，而且不会和组织发生作用。亚利桑那大学生物医学工程学主席斯图尔持 • 威廉姆斯（Stuart Williams）解释说，但是，理想的材料应该是多孔的，只有那样天然的组织才能附着在上面。而硅本来就有的微孔，仅有毫微米大小，对细胞来说，立足点太小了。

但是，仿生制品的研究者们有能力改进自然面貌。曼的研究组把首次制成的硅质仿生制品放在炉子上加热，焚烧掉细菌纤维。结果所产生的白硅具有两种大小有序的凹缝：小的一种是自然微孔，还有一种是由被烧掉的纤维留下的，宽约0.5微米的较大凹缝。威廉姆斯说，这些较大的凹缝除提供给细胞生长的支架外，还是为移植物加进抗生素和生长因子的线路，以便它们慢慢地渗入周围的组织。他称这是医用材料中的“一种重大改进”。

B. subtilis的突变体最后还是在微生物学中获得了应有的地位。这种行为古怪的微生物，按照它们自己的途径，在20年后第一次进入了微生物学教科书。门德尔森也被邀请出席去年的微生物协会的年会，并发表了演讲。费城坦普尔大学的微生物学家杰拉德，肖克晏（Gerald Shockman）说，由于门德尔森的“不寻常的探索”和着重于物理上的研究，要接受其观念很花费时间。但是，无论把他的研究称做微生物学、数学或者是材料科学，门德尔森的微生物已经肯定地得到了承认。

[Science，1997年6月]