单鞭毛生物和双鞭毛生物（二）

动物细胞的多功能细胞器——鞭毛、纤毛和微绒毛的前生今世

文章摘要

        动物是从单细胞生物中带鞭毛的领鞭毛虫演化而来的，但是在过去的长时期中，人们普遍认为动物身体内的多数细胞是不带鞭毛的，只有精子及呼吸道和输卵管的上皮细胞有能够摆动的鞭毛（叫动纤毛）。动物细胞上不能摆动的鞭毛（叫静纤毛）在上个世纪60年代就被发现，但是由于不知其生理功能而不被重视。在本世纪初，科学家发现，多囊肾其实是与纤毛有关的病，对纤毛的研究才进入热潮。近年来的研究表明，动纤毛还在脑脊液的流动和动物内脏位置左右不对称上发挥关键作用，而静纤毛存在于动物几乎所有的细胞上，含有各种感觉受体，成为动物细胞接收信号的“天线”。它们能够感知动物体内多种液体的流动情况，被动物用来监测血压、眼压、胆汁流动、尿液流动和感知骨骼负荷；动物的视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉、自体感觉、细胞运动也是通过静纤毛来接收信号的。在动物胚胎的发育过程中，静纤毛也负责细胞的信息接收，是刺猬蛋白信号通路、Wnt信号通路、Notch信号通路等的起始处。由于纤毛在动物体内的多种作用，纤毛功能障碍会导致全身性疾病，统称纤毛病（ciliopathy），包括嗅觉丧失、听觉丧失、视网膜退化、雄性不育、脑室积水、脑发育障碍、骨骼畸形、多指、多囊肾、多囊肝、内脏位置左右颠倒等多种症状。领鞭毛虫的另一个线状结构——领毛，演变成为动物细胞上的微绒毛，像静纤毛一样，成为细胞接收信号的“天线”，在视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉和自体感觉中发挥作用。因此鞭毛、纤毛和微绒毛一起，被认为是动物细胞上的多功能细胞器。        

在文章的第一部分中，我们谈到真核生物可以分为单鞭毛生物（Unikont）和双鞭毛生物（Bikont）两大类，前者包括真菌、动物和变形虫门和领鞭毛虫门的原生生物，它们的共同特征是拥有CAD融合基因，后者包括绿藻、红藻、陆生植物和一些原生生物，它们的共同特征是拥有TS-DHFR融合基因。真核生物的这个最基本的分化过程发生得非常早，因此所有测定过的真核生物都含有其中的一个融合基因。鞭毛（flagellum）在动物、植物和真菌上的祖先上都存在，而且这些鞭毛的结构和工作方式都相同，说明真核生物最早的祖先就拥有鞭毛。

经过约20亿年的演化，这两个融合基因在两大类真核生物中仍然存在，但是鞭毛的命运却大不相同。在不运动的真菌和植物中，由于鞭毛的游动需要水环境，在陆地上不如通过空气传播的孢子更有效，所以在大部分真菌和陆生植物的细胞上，鞭毛都消失了。在真菌中，只有比较原始的壶菌（（Chytridiomycota））的游动孢子还有鞭毛，在陆生植物中，比较低级的苔藓植物和蕨类植物的精子还保留有鞭毛，它们通过植物表面的水膜游动到卵子处，也就是还不能离开水环境，苔藓植物和蕨类植物也只能生长在比较阴暗潮湿的地方。在种子植物中，只有比较低级的裸子植物银杏（ginkgo）和苏铁（cycadale）的精子还有鞭毛，其它种子植物，包括比较高级的裸子植物和所有的被子植物，精子都是通过花粉的传播到达含有卵细胞的胚珠，再通过花粉管的萌发与伸长将精子送到卵细胞处，使之受精的，即完全摆脱了精子移动对水环境的依赖，鞭毛作为“老式”的运动结构在陆生环境中被放弃了。

而在动物中，鞭毛的命运却好得多。在陆地上生活的动物由于可以运动，能够采用体内受精的方式，精子仍然可以在雌性动物体内的液态环境中靠鞭毛游动到达卵子，因此精子后面的那根鞭毛也得到保留。不仅如此，由于多细胞动物身体构造的特点，鞭毛的功能还扩展，成为动物的动纤毛（motile cilia）和静纤毛（non-motile cilia）。动纤毛除了清除呼吸道中的痰液、在输卵管中推动卵细胞前进外，还推动脑脊液流动和在胚胎发育中控制内脏器官位置的左右不对称。动纤毛失去摆动功能后，就成为静纤毛，作为突出细胞的结构，含有各种受体，成为接收外界信号的结构，在监测动物体内液体流动（血液、尿液、胆汁、眼房水、骨负荷等）、视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉、自体感觉上发挥不可缺少的作用。

领鞭毛虫不仅有一根鞭毛，而且有围绕鞭毛的一圈领毛。在动物中，领毛不仅被保留，变成了动物细胞上的微绒毛（microvilli），而且像静纤毛那样，也可以含有各种受体，成为接收外界信号的结构。微绒毛自身或者与纤毛协同，在视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉和自体感觉上发挥作用。在具体介绍鞭毛、纤毛和微绒毛的各种功能之前，我们先介绍它们的构造特点。

鞭毛、纤毛和微绒毛的结构

鞭毛和纤毛都是由微管（microtubule）支撑的，突出细胞表面的线状结构。微管是由微管蛋白（tubulin）聚合形成的管状结构。微管蛋白有两种：a-微管蛋白和b-微管蛋白，一个a-微管蛋白分子先和一个b-微管蛋白分子结合成二聚体，再以ab二聚体为单位聚合成长链。聚合时二聚体都朝着一个方向，所以聚合成的链是有方向的：末端a-微管蛋白暴露的为负端，末端b-微管蛋白暴露的为正端。不仅如此，13条这样的链还平行排列，彼此相连，组成一个空管，外直径约25 nM，内直径约12 nM，叫做微管。虽然被称为“微”管，却是真核细胞的细胞骨架中最粗的，机械强度也最大。微管的正端是开放的，可以延长或者缩短，但是负端总要附着在一个组织中心（microtubule organizing center，简称MTOC）上，在那里另一种微管蛋白，g-微管蛋白与其它蛋白质结合，成为微管的附着处和聚合开始点。

在鞭毛和纤毛中，微管不是一根，而是9组，排列成一圈，每组微管由双联的两根微管组成，即一根微管融合在另一根微管上。在鞭毛和动纤毛的中心处还有两根单独的微管，所以鞭毛和动纤毛的微管结构被称为9 + 2，因此鞭毛和动纤毛也基本上是同义的，具有同样的结构，只不过鞭毛长在单细胞上（原生生物和动物的精子），而动纤毛长在动物的体细胞上。静纤毛的结构和动纤毛基本相同，但是没有中心的那两根单独的微管，所以静纤毛的微管结构为9 + 0。鞭毛和纤毛都和细胞膜下面的组织中心,叫做基粒（basal body）的结构相连。

鞭毛和动纤毛能够摆动，是由于在它们的9组微管之间，还有动力蛋白（Dynein）附着。动力蛋白是真核细胞“肌肉蛋白”（能够产生机械力的蛋白）中的一种，用两条“腿”结合在微管上，在水解ATP时，分子变形，可以在微管上向其负端“行走”。在鞭毛和动纤毛中，动力蛋白的另一端还固定在相邻的微管上，因此动力蛋白形状的改变不会使自己在微管上行走，而是会给旁边的微管一个推力，使动力蛋白结合的两组微管相对滑动，使纤毛弯曲。纤毛两边的动力蛋白交替变形，纤毛就可以来回摆动。静纤毛的微管之间没有动力蛋白联系，也不能摆动。

鞭毛和纤毛中除了微管外，还有超过1000种蛋白质。由于鞭毛和纤毛内并没有合成蛋白质的核糖体，这些蛋白质必须在细胞体（细胞含细胞核的膨大部分）中的核糖体上合成后，被运输到鞭毛和纤毛内。这是由能够向微管正端“行走”的蛋白质，驱动蛋白（kinesin）来实现的。驱动蛋白能够“背负”装有蛋白质的小囊，以ATP为能源，从细胞体走入鞭毛和纤毛。这个蛋白质的运输过程叫做“鞭毛/纤毛内运输”（intraflagellar/intraciliarytransport，IFT）。任何妨碍IFT的变化都会影响鞭毛和纤毛的形成和功能。鞭毛和纤毛上需要替换的蛋白质则由前面提到过的，能够向微管负端“行走”的动力蛋白来执行的。

微绒毛由肌纤蛋白（actin）聚合成的微丝（microfilament）支撑，所以与鞭毛和纤毛是不同类型的结构。微绒毛也由细胞膜包裹，里面微丝的数量可多可少，也不像鞭毛和纤毛内的微管那样有规则的排列，所以直径也可大可小，以适应不同的需要。

动物身体中鞭毛和动纤毛的作用

   领鞭毛虫那根通过摆动产生推力的鞭毛在动物身上仍然被保留并且发挥作用，明显的例子是动物精子都是通过后方的一根鞭毛推着前进的。而在动物体内，由于多数细胞的位置是固定的，动纤毛的摆动就不是推动它们所在的细胞前进，而是反过来，利用动纤毛摆动产生的力量推动细胞外的液体或者物体，例如呼吸道上皮细胞的动纤毛持续摆动能把带有细菌的痰液不断排出去，在输卵管中动纤毛的摆动使卵子向子宫方向前进。

   除了这些作用，动纤毛还推动脑脊液(CerebrospinalFluid，CSF)的流动。脑脊液是脑室系统、蛛网膜下隙和脊髓中央管中的液体，总量约150 毫升，给脑和脊髓提供机械缓冲和维持细胞外液的组成，可以看成是脑中的淋巴液。脑脊液在左、右侧脑室中产生，经过第三脑室、第四脑室、蛛网膜下隙和脊髓中央管，最后回到静脉。人每天要产生约400 毫升脑脊液，必须不断地被送回循环系统。在过去，脑脊液的流动被认为是被动的，脑室产生新的脑脊液，推动早些时候产生的脑脊液前进。但是后来的研究发现，脑脊液的流动是被与脑脊液接触的室管膜细胞（ependymal cells）上的动纤毛推动的。如果动纤毛的功能受到影响，就会导致脑积水和颅压升高。

气管、输卵管和脑室中动纤毛的作用都是推动细胞外液体或者固体的前进，所以每个细胞上的动纤毛不是只有一根，而是有很多根，以增加动纤毛推动物质移动的效果，虽然动物是“单鞭毛”生物。同为单鞭毛生物的草履虫也可以有数千根用于游泳的鞭毛，这说明单鞭毛生物的基本特征是拥有CAD融合基因，鞭毛和动纤毛的数量是可以增加的。

动物对动纤毛摆动最巧妙的利用，也许要数对内脏位置左右不对称的控制。多数动物的身体从外部看是两侧对称的，但是内脏的位置却不对称，例如人的心脏和胃脏位于身体的左边，肝脏和胰脏位于右边，肺脏虽然胸腔的左右两边都有，但是肺叶数也不同（右边三叶，左边两叶）。1996年，日本科学家滨田宏（Hiroshi Hamada）的实验室发现了小鼠胚胎中决定左右的分子，它在原肠胚形成过程中只位于胚胎的左边，因而被命名为Lefty。Lefty的主要功能是对抗另一个蛋白质——Nodal的功能。Lefty和Nodal都是转化生长因子-b（TGF-b）超级家族的成员，它们的功能在胚胎左右两边的活性不同，是决定内脏位置左右不对称的主控因子。问题是，在胚胎早期的发育中，左右两边的情形是相同的，即是左右对称的，这个对称是如何被打破的呢？Lefty只位于胚胎的左边的情形是如何造成的呢？

最初的线索来自内脏反转人，即他们内脏的左右位置与正常人相反。对这些人的检查发现，他们气管中的动纤毛不正常。再一个线索是驱动蛋白基因被敲除的小鼠中，有一半小鼠的内脏位置是反转的，即内脏的左右位置变成了随机的，而不是有控制的。由于驱动蛋白为纤毛的形成所必须，这也意味着内脏位置反转也许和纤毛有关。循着这个线索的研究发现，打破动物左右对称的，真的是动纤毛！是动纤毛摆动造成的胚胎表面的液体向左流动造成的。

在脊椎动物胚胎发育的过程中，在脊索（Notochord）末端一个叫腹节（ventral node）的地方有一个凹下的腔，里面有一些液体。腔的中央有200-300个细胞，每个细胞上有一根动纤毛，而腔两旁的细胞上则有静纤毛。动纤毛的方向不是与胚胎表面垂直的，而是向后倾斜，当动纤毛顺时针摆动时，向胚胎方向流动的液体由于接近胚胎表面，遇到的阻力较大，而背朝胚胎方向的液体受到的阻力较小，总的效果就是使得液体向胚胎的左方流动。动纤毛向后倾斜并不破坏左右对称，但是动纤毛顺时针摆动却是有方向性的，在这个特殊的环境中就造成胚胎表面液体左右不对称的流动。在腔左方的静纤毛感知到这个液体流动，将信号传输给左方的细胞，改变基因的表达状况，使左右两边的发育状况有所差别。如果纤毛的工作不正常，左右不对称的控制就会失效，内脏的左右位置变成随机的。如果人为改变液体流动的方向，使液体向胚胎的右方流动，内脏的左右位置就会反过来，证明动纤毛摆动造成的液体向左流动的确是左右对称被打破的关键步骤。

在这个过程中，不仅需要动纤毛的摆动来造成液体定向流动，还需要静纤毛来感知这个流动。这就是静纤毛在动物体内的作用，即作为细胞的信息感受器。动纤毛除了有摆动的功能，还有另一个优点，就是它突出细胞的线状结构。这个结构像天线一样从细胞伸出，有巨大的表面积，是接收细胞外信号的受体分子存在的理想场所。细长的结构也使它容易在外力下弯曲，触发纤毛上感知机械力的受体分子。由于这些信息接收功能与纤毛的摆动无关，摆动功能与信息接收功能就逐渐分开，形成不能摆动，只接收信息的静纤毛。几乎所有的动物细胞都有一根静纤毛，用于接收信息。由于不需要摆动，使用的只是突出细胞的线状结构，所以对内部结构的要求也不如动纤毛那么严格。

微绒毛也是突出细胞表面，被细胞膜包裹的线状结构，同样可以成为接收外部信息的场所，因此静纤毛和微绒毛一起，都可以成为接收外部信息的“天线”。与静纤毛不同的是，细胞上的静纤毛总是只有一根，而微绒毛总是有多根。静纤毛和微绒毛或者单独起作用，或者彼此配合共同起作用。在一些情况下，还出现了微管和微丝同时存在于线状结构内，所以难以定义是纤毛还是微绒毛的例子（见后面关于昆虫刚毛器的构造）。这说明在信息接收上，动物所需要的只是突出细胞表面的细长结构，里面的具体构造不是那么重要的，下面我们也把信息接收中的静纤毛和微绒毛一起叙述。

感受液体流动的静纤毛和微绒毛

由于静纤毛和微绒毛能够在液体流动的冲击力下弯曲变形，位于静纤毛和微绒毛上感受机械力的受体在外力作用下开启，使细胞外的正离子进入细胞，触发信息传递过程，所以可以用来感受液体的流动，其中最著名的例子就是静纤毛与多囊肾之间的关系。

静纤毛功能缺陷是引起多囊肾的原因

   多囊肾（polycystic kidney disease，PKD）是比较常见的遗传性疾病，发病率约为1/1000，其特征是肾脏中出现多个大小不一的囊肿（cyst），这些囊肿不断增大，破坏肾脏的功能，患者最后需要透析或者换肾才能生存下去。

对多囊肾的研究表明，引起疾病的原因主要是两个基因，PKD1和 PKD2的突变。患者通常从父母遗传获得一份突变的基因，如果另一份基因后来也发生突变，就会引发疾病。PKD1基因的蛋白产物为多囊蛋白1（polycystin 1，PC1），PKD2基因是产物是多囊蛋白2（polycystin 2，PC2），它们都位于肾小管上皮细胞伸出的静纤毛上，形成多囊蛋白复合体，其中任何一个蛋白的功能异常都会导致多囊肾。

PC2是TRP离子通道家族的成员。TRP离子通道的全名是瞬间受体电位离子通道（Transient receptor potentialchannels），是在果蝇的一种突变体上发现的，这个通道基因的突变会使果蝇的感光细胞在受到连续光照时只发出短时（瞬间）的电信号。随后的研究发现，TRP离子通道有多种，是多功能受体，能够在机械力作用、化合物作用、温度变化、酸碱变化时开启，让细胞外的阳离子进入细胞，触发动作电位。在肾小管中，PC2在PC1的协助下，感知肾小管内尿液的流动情况。尿液的流动会使静纤毛弯曲，拉开PC2离子通道，使钙离子进入细胞，这个信号会保持细胞状态的恒定。如果静纤毛的这个作用失效，肾小管的上皮细胞就会增生，堵塞肾小管，同时细胞分泌液体增加，在肾脏内形成囊肿。

除了在肾小管中监测液体的流动，静纤毛还在胆管和胰腺管中监测胆汁和胰消化液的流动，所以多囊肾患者常常也会有肝囊肿和胰腺囊肿，只是症状不如肾囊肿那么明显，因此较少被提到。

眼球中的静纤毛感知房水的流动

   眼压升高会导致青光眼（glaucoma），损伤眼睛的结构，影响视力甚至会导致失明。眼压增高的原因是房水循环的动态平衡受到了破坏。房水（aqueous humor）为水状液体，成分类似血浆，但是蛋白含量较低，与晶状体后面的玻璃体（vitreous humour）不同。房水的作用是保持一定的眼压，使眼球成为球形，使角膜有正确的形状，同时提供营养。房水是流动的，由睫状体产生，进入后房（晶状体和睫状体之间的腔室），越过瞳孔到达前房（角膜和晶状体之间的腔室），再从前房的小梁网（trabecular meshwork）流出，回流到血循环。房水流出受阻则会使眼压增高。

   房水的流动是由小梁网上细胞的静纤毛感知的。OCR1基因的突变会使静纤毛的功能受到伤害，影响房水流出。研究表明，OCR1基因也是一种TRP离子通道（TRPV4）的基因，其蛋白产物位于静纤毛上，感知房水流动引起的静纤毛弯曲。

骨骼中的静纤毛能够感知骨负荷

骨头的密度与负荷有关，负荷变大能够增加骨头的密度，而宇航员在失重状态下会使骨质流失，说明骨头能够感知加在其上的负荷而对骨密度做相应的调整。

有趣的是，骨头对负荷信息的接收是通过骨细胞（osteocytes）和成骨细胞（osteroblast）上的静纤毛感知骨中液体的流动而实现的。骨头并非整个是固体，而是有许多空穴，叫骨穴（laculae），骨穴之间有小管（canaculi）连通，组成骨内的穴管系统（lacunocanalicular system）。骨穴和小管内充满液体，叫穴管液（lacunocanalicular fluid）。骨头在受到外力时，会轻微变形，挤压骨穴和小管，使骨穴液流动。骨细胞和成骨细胞上的静纤毛都能够感知这种流动，让成骨细胞分泌更多的类骨质（osteoid），类骨质再矿物化就形成骨质，使骨密度增加。骨头上的负荷越大，静纤毛弯曲越厉害，使骨密度增加的信号也越强。而与静纤毛功能有关的基因的突变会使得骨骼的发育不正常，包括骨头变短、多指、头面部畸形等。

在上面谈到的例子中，都是细胞上的单根静纤毛在液体流动时弯曲，使位于静纤毛上的离子通道开启，触发信息传递链。除了静纤毛的这种功能，微绒毛也可以起感知液态流动的作用，不过在多数情况下是和静纤毛一起工作的。

半规管中的静纤毛和微绒毛可以感知转动加速度

半规管（semicircular canals）的动物内耳中的三根管子，每根的形状都像一根环状管子的一半，所以叫做半规管。三根半规管彼此垂直相交，在方向上类似于空间的X、Y、Z轴，可以感知不同方向的转动加速度。半规管里面有内淋巴，每条管的两端有膨大的部分，叫做壶腹（ampullae），壶腹内一侧的壁增厚，向管腔内突出，形成一个与管长轴相垂直的壶腹嵴（crista）。壶腹嵴内有一个胶质的冠状结构，叫做盖帽（cupula），里面埋有感觉神经细胞的静纤毛和微绒毛。动物头部旋转时会带着半规管一起转动，但是管内的内淋巴液由于惯性而位置滞后，在半规管内流动，冲击壶腹嵴使其偏转，使里面的静纤毛和微绒毛也跟着偏转，使感觉神经细胞产生神经脉冲，提供身体转动的信息。

在这个例子中，淋巴液并不直接冲击静纤毛使其弯曲，而是通过盖帽。由于盖帽的体积比纤毛大得多，受淋巴液冲击时产生的力量也更大。感知机械力的受体也不是位于静纤毛上，而是位于微绒毛上。由于神经细胞上的静纤毛和微绒毛是通过细丝彼此相连的，纤毛所受的力可以通过细丝传递到微绒毛上，拉开位于微绒毛细胞膜上的TRP离子通道，触发神经脉冲。

这种微绒毛之间以细丝相连的结构看来是从领鞭毛虫中继承下来的。领鞭毛虫的领毛之间就以细丝相连，组成过滤网，以捕获鞭毛摆动带过来的细菌。在动物中，领毛变成微绒毛，彼此也以细丝相连，而且在半规管的盖帽中，静纤毛也通过细丝与微绒毛相连，细丝的作用变成把静纤毛受到的力传递给微绒毛。连接微绒毛的细丝是从领鞭毛虫连接领毛的细丝演化而来的说法也得到细丝组成的支持，因为在这两种情形中，细丝都是由钙连蛋白（Cadherin）组成的。

动物的这个“发明”增加了静纤毛和微绒毛感知机械力的灵敏度，所以被发展成为多种功能的感受器，在鱼感知水流以及动物的听觉和触觉中起作用。我们在下面将逐一介绍。

鱼利用静纤毛和微绒毛感知水流

鱼能够通过侧线（lateral lines）感知水流动的情况。侧线是鳞片下面的一条管道，在相邻的两片鳞片之间拐到鳞片上方，在那里有一个开口，在开口之后，通道又钻到鳞片下，再从下一片鳞片的上方钻出。这有点像新疆的坎儿井，水通道在地下，隔一段距离有一个通向地表的开口。在通道钻入鳞片下以后，通道的下方有感觉水流的结构，叫做神经丘（neuromast）。每个神经丘含有数个感觉神经细胞，这些神经细胞的顶端长出许多根微绒毛和一根静纤毛，它们之间也以细丝相连。这些微绒毛和静纤毛被套在一个鈡形的“帽子”内，叫做壳斗（cupula），水流的力量会使壳斗发生偏转，使里面的静纤毛发生偏转，通过细丝给微绒毛一个拉力，触发神经信号。所以神经丘的工作原理和半规管壶腹嵴的工作原理是一样的，只不过用壳斗取代了盖帽。

如果鱼周围的水被扰动得很厉害，在不同的开口处水的压力就会不一样，水会从压力高的地方进入水通道，从压力低的地方流出，在侧线的各段形成方向不一致的水流。在不同侧线位置上的神经丘会感觉到这些水流的方向和速度，给鱼以周围环境的丰富信息，包括捕食者的接近，猎物的逃跑等。体型比较小的鱼由于容易受到其它动物的捕食，常常聚成鱼群（school），以迷惑捕食者。实验表明，失去视力，但是侧线完整的鱼可以跟随鱼群游动，但是侧线丧失功能的鱼就无法调整自己的方向。

除了鱼类，两栖类动物如青蛙身体两侧也有侧线，侧线上的神经丘在结构和功能上和鱼的神经丘相似。由于青蛙身体表面没有鳞片，神经丘是直接暴露在身体表面的。青蛙的幼虫蝌蚪在水中生活，侧线也发挥重要的作用。例如在水流中，蝌蚪总是头朝向水流来的方向，这种行为叫趋流性（rheotaxis）。氯化钴（CoCl₂）能够干扰神经丘的功能，如果用氯化钴抑制侧线的功能，蝌蚪就无法在水流中定向。

这些例子都说明，经过增加结构来提高静纤毛和微绒毛感受机械力的灵敏度，它们接收信息的功能就可以大大扩张，不仅可以感知液体的流动，还可以在动物的听觉和触觉中发挥作用。

感受机械力的静纤毛和微绒毛在听觉中的作用

        半规管中壶腹嵴和鱼类侧线中神经丘那样的结构工作原理巧妙，如果再加以改进，就可以用来感受声音。

鱼类的耳朵可以是从侧线的壶腹嵴发展而来的

        声音是经由物质传递的振动被动物感知所产生的感觉。鱼在水中生活，而水的振动只能造成物质在很短距离上做周期性的反复位移，而不会造成方向一致的水流，鱼又是如何感知声音的呢？鱼类使用的办法，是利用物质的惯性：如果一种物质的比重比水要大，在振动到达时就不会同步振动，而是有滞后，这样就会在与之连接的低密度的物质之间产生相对位移，可以使静纤毛偏转。

        鱼类所使用的高密度物质，就是听石（otolith）。听石含有碳酸钙，比重比水和主要由水组成的细胞的密度大。鱼的头部有两个装有淋巴液的囊，因其形状像一个瓶子又叫瓶状囊，上有听壶（lagena）。听壶上有加厚的结构，叫囊斑（macula），囊斑的内壁上有许多听觉细胞。这些细胞的上面覆盖着一层含有听石的胶质层，叫做听石膜（otolithic membrane），与静纤毛的顶端接触。听石的比重比较大，在有振动时会由于其惯性不能与听觉细胞层同步移动，于是在听石膜和听觉细胞层之间产生相对位移，使得与听石膜接触的静纤毛发生偏转。静纤毛的偏转会在细丝上产生拉力，直接拉开微绒毛膜上的离子通道，让钾离子等正离子进入细胞，使听觉细胞去极化，触发神经脉冲。

        在这里，听觉细胞上静纤毛和微绒毛之间的关系与鱼类侧线神经丘里面的神经细胞类似，都是细丝连接静纤毛和微绒毛，静纤毛的位移拉开微绒毛上的离子通道，所以鱼类的耳朵很可能是从侧线的神经丘变化而来的，不同的是在鱼耳中，听石膜代替了壳斗，功能也从感知液体流动使壳斗变形到感知听石膜的相对位移，但是最后的效果都是使静纤毛偏转。这个感知声音的巧妙结构也被陆生动物继承，变成了接收空气振动传播的声音的耳朵，包括我们人类的耳朵。

人类的耳朵用微绒毛感知声音

人在陆地上生活，声音主要是通过空气的振动传播的。空气的密度比水小得多，振动产生的机械力也小得多，不足以使听石膜那样的结构直接产生位移。人类使用的办法，是用鼓膜接收振动，由于鼓膜的面积比与之连接的听骨大得多，鼓膜随空气振动的力量在传给听骨时就会被放大。人耳的听骨有三块，分别是锤骨、砧骨及镫骨，通过杠杆原理将机械力进一步放大。听骨把振动传递到耳蜗内富含钾离子的淋巴液中，使淋巴液的压力周期性地变化。这种压力变化使得有弹性的片状结构叫做盖膜的变形，就像在一片厚橡皮上加压会使橡皮向四周延伸一样。盖膜是与听觉细胞上的微绒毛相连的，微绒毛之间也有细丝连接。盖膜的变形会使微绒毛偏转，拉开微绒毛膜上的离子通道，使钾离子进入细胞，触发神经脉冲。

在鱼类的侧线中，感觉细胞的微绒毛与静纤毛的直径就已经非常接近，所以静纤毛的功能完全可以被微绒毛取代。在人耳的听觉细胞中，静纤毛已经退化，只剩下若干根按高低排列的微绒毛，这些微绒毛彼此之间通过细丝相连，在最长的微绒毛变形时拉开较短微绒毛上的离子通道，因此最长的那根微绒毛的作用就相当于静纤毛。所以从鱼到人，都是使用类似的静纤毛-微绒毛连丝或者微绒毛-微绒毛连丝来将声音的机械能转化为神经脉冲的，不同的只是转化声音的结构，在鱼中是听石膜的位移，在人是先用鼓膜收集声音的能量，再通过淋巴液的压力变化使盖膜变形，在两种情况下都是使与这些结构相连的静纤毛或者微绒毛变形，拉开离子通道产生神经脉冲。

陆生动物通过鼓膜收集空气振动能量的机制非常有效，在低等动物中就已经出现了，这就是昆虫的鼓膜器，不过昆虫接收声音信号的是单根静纤毛，而不是静纤毛加微绒毛。

昆虫用鼓膜器听声音

昆虫是在陆地上生活的，但是许多昆虫的身体很小，容纳不下人耳那样复杂的结构，昆虫听声音的办法，是用鼓膜来收集声音的能量，再直接传递到神经细胞的静纤毛上，这样的结构叫鼓膜器（tympanal organ）。鼓膜器可以长在昆虫身体表面的许多地方，包括胸、腹、腿。鼓膜器是昆虫外骨骼上的薄膜，里面有气囊，这样鼓膜可以随空气振动而振动。与鼓膜相连的，是一根或数根感音管（scolopidia）。感音管与鼓膜垂直相连，鼓膜的振动就会直接传递给感音管。由于鼓膜的面积比感音管大得多，鼓膜振动传递给感音管的力量也被放大，足以使里面的静纤毛变形。感音管由三种细胞组成：顶端的冠细胞，管状的导音桿细胞，和被导音桿细胞包裹的神经细胞。导音桿细胞含有由肌纤蛋白组成的桿状物，形成一根管子，里面有神经细胞和包裹神经细胞的，富含钾离子的淋巴液。神经细胞伸出一根静纤毛，上面有机械力开启的TRP离子通道。鼓膜的振动通过冠细胞传递到静纤毛上，使纤毛变形，离子通道开启，钾离子进入细胞，触发神经脉冲。

静纤毛在昆虫触觉中的作用

        静纤毛既然能够在外力作用下变形，使神经细胞发出神经脉冲，也可以被用来感知物体与身体直接接触带来的信息，这就是触觉。昆虫的腿是中空的，里面含有许多像感音管那样的结构，一端与腿壁相连，另一端连在一个盘状结构上。与腿接触的地面或其它物体振动时，也会在感音管那样的结构加压，使里面神经细胞上的静纤毛变形，触发神经脉冲，因此昆虫腿上感音管那样的结构其实是“感振管”。感振管能够给昆虫丰富的信息，例如沙漠里的蝎子可以通过感振管获知沙子下面猎物的活动，并且根据振动波到达不同腿的时间差，得知猎物的位置和运动方向。

昆虫的另一个触觉器官是刚毛器（bristle organ）。昆虫的体表长有许多硬毛，叫做刚毛（bristle）。刚毛的基部是中空的，里面插有一根神细胞的静纤毛，纤毛周围有淋巴液包围。刚毛与外界物体接触时会偏转，使得插在刚毛中的静纤毛变形，使钾离子进入神经细胞，触发神经脉冲。

在这两种情况下，都是侵泡的淋巴液中的静纤毛在外力作用下变形，拉开静纤毛上的离子通道，发出触觉信号。有趣的是，刚毛中既有微管，又有微丝，微管在内，但不像在鞭毛中那样规则排列；微丝在外，靠近刚毛表面，聚集成束。这说明突出细胞表面的线状结构对于接受信号是重要的，对内部结构的要求不是那么严格

如果静纤毛和微绒毛的细胞膜上所含的不是机械力开启的离子通道，而是能够感知分子结构的受体分子，静纤毛和微绒毛就可以成为味道和气味的接收器，即在动物的味觉和嗅觉和中发挥作用。

静纤毛和微绒毛在味觉中的作用

味觉是动物对外来分子结构的认知，其主要目的是辨别食物和毒物。例如甜味预示着糖类分子，鲜味预示蛋白质和氨基酸，鼓励动物去吃，苦味则警告动物分子可能有毒，应该避免。陆生动物还需要水，需要无机盐，但是又需要避免高浓度的盐水，所以早期的动物还发展出了对水、低浓度盐水和高浓度盐水的味觉。动物对味道的感觉也是通过位于静纤毛上的味觉受体实现的。

线虫用静纤毛来尝味道

线虫（Caenorhabditis elegans）是主要生活在土壤中的简单多细胞动物，以细菌为食，身体呈线状，两头尖，成虫有959个体细胞，其中302个是神经细胞。就是这样简单的动物，也已经有味觉，而且是通过静纤毛来尝味道的。

线虫在身体的前端和后端各有一对感受外界分子的感受器。在身体最前端的叫头感器（Amphid）；在肛门后方，靠近尾部的叫尾感器（Phasmid）。头感器有一个由两个支持细胞包围成的孔，感觉神经细胞发出的静纤毛通过孔与外界接触。静纤毛上有对外界分子的受体，例如受体ODR-10就能够与联乙醯（diacetyl，两个乙酰基对接的产物，对人有强烈的奶油味）结合。TYRA-3则是酪胺（tyramine）的受体，这些受体都是G蛋白偶联的受体（G protein-coupled receptor，GPCR），在线虫的静纤毛上超过1000种。由于线虫只有少数味觉细胞，所以每根静纤毛上有多种味觉受体，说明线虫只能简单地分辨“有害”还是“无害”，而不像哺乳动物那样，每根静纤毛只包含一种味觉受体。

线虫感知低氯化钠溶液的受体不是GPCR，而是一类叫Degenerine（DEG）的受体分子。这类分子是一种钠离子通道，它们能够感知低浓度的氯化钠溶液并且打开通道，让钠离子进入细胞，降低膜电位而触发神经脉冲。不仅是线虫，其它动物，包括蜗牛、昆虫、青蛙、直到哺乳动物（包括人），都用这类受体来感知氯化钠，所以是动物的“咸味受体”。在哺乳动物中，这种受体叫做上皮钠离子通道（Epithelial sodium channel，ENaC），二者统称为DEG/ENaC。

昆虫的味觉也依靠静纤毛

典型的昆虫味觉感受器是外皮上空心的毛，毛的顶端有一个开口，内部有数个感觉神经细胞，通过它们的静纤毛（这里叫神经纤维）与外界接触。例如腿部的味觉感受器就有四个感觉神经细胞，分别为感受甜味（蔗糖）的S神经纤维、感受苦味（例如奎宁和黄连素）和高盐的L2神经纤维、感受低盐溶液的L1神经纤维、和感受水的W神经纤维。甜味、低盐溶液和水都能够使昆虫的口器伸出，表示昆虫准备进食或喝水。反之，苦味和高盐会使口器缩回，表示昆虫想回避这些物质。

昆虫的味觉受体名称以Gr（Gustatoryreceptor）开始，后面用数字表示不同的受体。例如Gr5a和Gr64a都为感受各种糖类分子所需，共同表达于感知甜味的S神经纤维上。对苦味的感觉也需要Gr66a和Gr93a，它们共同表达于感觉苦味的L2神经纤维上。昆虫对咸味也是由DEG/ENaC类型的受体来感觉的，表达于感受低浓度盐水的L1神经纤维上。除了感受甜、苦、咸等味道，昆虫还能够“尝”到水的“味道”。这是由表达于感知水的W神经纤维上的ppk28受体（pickpocket28）来实现的。

哺乳动物用微绒毛上的受体尝味道

哺乳动物的味觉功能主要是由口腔中的舌头来执行的。舌头表面有感觉味道的结构，叫做味蕾（taste buds），总数有数千个，每个味蕾含有50-100个味觉细胞，聚集成球状，埋在舌头的上皮细胞中。每个味觉细胞在味蕾开口处发出微绒毛，上面有味道感受器。溶解于唾液的外来味觉分子和这些微绒毛上的受体分子结合，触发神经脉冲，所以哺乳动物的味觉不用静纤毛，而是用微绒毛，这也说明静纤毛和微绒毛在接收外界信息上的功能可以互换。

动物接收甜味和鲜味的受体属于GPCR中的T1R家族（T表示taste，R表示receptor，1是受体的类型）。这个家族只有三个成员，T1R1、T1R2、T1R3。受体T1R2和T1R3一起，形成混合型受体，就是甜味受体。能够同时结合于T1R2和T1R3受体的分子就被感知为甜味。受体T1R1和T1R3一起，形成混合受体，就是鲜味受体，能够同时结合于T1R1和T1R3受体上的分子就被感觉为鲜味。哺乳动物感受苦味的受体也是G蛋白偶联的受体GPCR，属于里面的T2R家族。T2R家族有约30个成员，以结合不同类型的苦味物质。哺乳动物对酸味（pH降低）的感觉是由TRP类型的受体（TRPP3）来感知的，在pH值降低到5.0左右时被激活，在神经系统中产生酸的感觉。感受咸味的受体则是前面提到过的DEG/ENaC。

静纤毛和微绒毛在嗅觉中的作用

嗅觉探测的主要是空气中的分子，但是这些分子也必须先溶解于水中，才能与受体分子结合，产生嗅觉信号。从这个意义上讲，嗅觉与味觉并无根本的区别，嗅觉受体也很容易从味觉受体转变而来。动物使用的嗅觉受体和味觉受体也非常相似，也使用静纤毛或者微绒毛作为感受气味的结构。

昆虫用静纤毛感受气味

昆虫（例如果蝇）的嗅觉分子受体（Odorant receptor，OR）是表达在触角（antennae）和下颚须（maxillarypalp，口器旁边的一对触须）上的。它们上面长有毛形感器（sensillum），即突出表皮的毛状物。毛形感器有多种，其中的锥状感受器（basiconic sensillum）表达嗅觉受体。锥状感受器突出于表皮之外，内有淋巴液，感觉神经细胞发出的静纤毛的就浸泡在淋巴液中，上面有嗅觉受体。锥状感受器的外皮上面有许多小孔，空气中的味觉分子经过这些小孔进入感受器，溶解在淋巴液中，再被转运至纤毛上的嗅觉感受器上，传递嗅觉信息。

昆虫的嗅觉受体（Odorant receptor，OR）和昆虫的味觉受体（Gustatory receptor，Gr）一样，也含有7个跨膜区段，它们的羧基端的氨基酸序列有相同之处，说明OR和Gr有共同的祖先。

脊椎动物用静纤毛或者微绒毛作为嗅觉感受器

        哺乳动物，包括鱼类、两栖类、爬行类、鸟类和哺乳类的动物，都用鼻腔里面的嗅觉细胞来探测各种分子的味道。

鱼类在水中生活，鼻腔不是用来呼吸，而是用于嗅觉。水从鼻腔前面的小孔进入，从鼻腔后方的小孔流出，鼻腔里面的嗅觉细胞就可以探测水中一些分子的“气味”，虽然这些分子不是存在于空气中，而是溶在水中的。鱼类也有味蕾，但是不在鼻腔内，而是在唇、鳃、口腔和咽喉中，所用的受体也与鼻腔中的不同，所以鱼类的嗅觉和味觉是不同的感觉，虽然引起嗅觉和味觉的分子都是溶在水里的。青蛙是两栖动物，有用于在空气中呼吸的肺，鼻腔中不同的腔室有不同的嗅觉受体。中腔（middle cavity）总是充满水的，用于在水中的嗅觉，其嗅觉受体类似鱼的嗅觉受体。主腔（primary cavity）里面总是充满空气的，用于在空气中呼吸，其嗅觉受体也和哺乳动物的嗅觉受体类似。从爬行动物开始，动物多在陆上生活，用肺呼吸，鼻腔中的嗅球（olfactory bulb）就是嗅觉神经细胞所在的地方。

对各种脊椎动物嗅觉细胞的研究表明，它们既可以用静纤毛，也可以用微绒毛作为嗅觉受体的所在地，例如鲨鱼、鳐鱼（ray）、银鲛（ratfish）只用微绒毛，八目鳗（lamprey）、蛇、青蛙、乌龟只用静纤毛，七鳃鳗（hagfish）、硬骨鱼类、蝾螈两种都用，鸟类的同一嗅觉细胞上静纤毛和微绒毛都有。这些例子再次说明，细胞用来接收信号的结构只是突出细胞的线状物，无论它是静纤毛还是微绒毛。

根据同样的道理，如果静纤毛和微绒毛上有能够感知光线的受体，它们就可以成为接收光线信息的结构，在动物的视觉中发挥作用，实际情形也是这样。

静纤毛和微绒毛在视觉中的作用

        视觉接收光线所携带的信息，动物接收光信息的分子是视黄醛（retinal）。视黄醛分子中有一根由两个异戊二烯单位组成的链，里面所有的双键都是共轭的。在没有光照时，这根链处于“拐弯”的状态，即其中一个双键是“反式”的。光照使“弯棍”变为“直棍”，即全反式结构。视黄醛结合在一个叫视蛋白（opsin）的分子上，共同组成视紫质（rhodopsin）。视黄醛分子的形状变化会带动视蛋白分子的形状变化，而视蛋白又是G蛋白偶联的受体，在形状变化时可以将G蛋白活化，将信息传递下去。

        由于可见光的能量密度比较低，要感光细胞发出神经脉冲，需要大量的视紫质分子，这就需要大面积的细胞膜来容纳这些视紫质分子。从理论上讲，绒毛拥有巨大的表面积，自然适合用于这个目的，而每个细胞只拥有一根静纤毛，要扩大静纤毛的表面积，可以让静纤毛的结构扩展，横向长出许多片状结构来，这样一根静纤毛也可以拥有巨大的表面积。

这两种方法还真的都被动物采用了。昆虫复眼中的感光细胞使用绒毛，人眼视网膜上的视杆细胞和视锥细胞就使用静纤毛，但是人眼视网膜中的感光节细胞（与视力无关，接收的光信号用于调整生物钟）又使用微绒毛。在低等动物中，水母幼虫眼睛使用微绒毛，而水母成虫眼睛使用的却是静纤毛。

静纤毛在动物发育过程中的作用

   要从受精卵这一个细胞发育成为有复杂结构的动物，细胞必须接收外部指令，静纤毛就是细胞接收信息的受体蛋白最佳的工作场所。刺猬蛋白（Hedgehog，hh）信息通路，特别是其中的音刺猬蛋白通路（Sonic hedgehog，Shh）信息通路、Notch信息通路、以及Wnt信息通路在胚胎发育和组织器官形成上发挥关键作用，这些信息通路的起始蛋白都位于静纤毛上，例如刺猬蛋白信息通路中起始阶段的Smoothened和Patched就位于静纤毛上。血小板衍生生长因子受体a(platelet-derived growth factorreceptor a，PDGFRa)位于静纤毛上，使细胞具有极性的Par3蛋白也位于静纤毛上。静纤毛缺失的小鼠会在胚胎发育阶段就会死亡，说明静纤毛在动物发育中的重要作用。

胚胎发育需要许多细胞移动到它们最后的位置上，而静纤毛就是接收外部信息，决定细胞移动方向的结构，静纤毛的方向也指向细胞移动的方向，虽然静纤毛的位置不在移动细胞的最前方。创伤修复需要成纤维细胞（fibroblast）移向组织伤害处，细胞上面的静纤毛也指向伤口，静纤毛受损的成纤维细胞就不再对外界信号起反应，不能向伤口移动。在人的免疫系统中，嗜中性细胞接收感染处发出的化学信号，例如白介素-8（interleukin-8，IL-8), 干扰素-g（interferon-g，IFN-γ),向感染处移动。如果静纤毛功能不正常，嗜中性细胞也不能对这些化学信号起反应。

纤毛病

   由于纤毛，包括动纤毛和静纤毛，在动物发育和各种生理功能中的重要作用，纤毛功能异常会引起一系列症状，统称为纤毛病（ciliopathy）。由于不同的基因缺陷影响纤毛功能的情形不同，纤毛病也有许多种，其中最著名的是巴德-毕德氏症候群（Bardet-Biodl Syndrome，BBS），其症状包括嗅觉丧失、听觉丧失、视网膜退化、智力障碍、多囊肾、肥胖、多指等。其它纤毛病还有：

Jeune asphyxiating thoracic syndrome（JATD）

Orofaciodigital syndrome（OFD）

Nephronophthisis（NPHP）

Meckel Syndrome（MKS）

Senior-Lohen Syndrome （SNLS）

Sensenbrenne-Joubent Syndrome（JBTS）

Alstrom Syndrome（ALSM）

Usher Syndrome（USH）

Laber Congenited Amaurosis（LCA）

Short-rib polydactyly syndrome（SRPS）

Ellis van Creveld Syndrome（EVC）

Kartageners Syndrome（KS）

   在目前，对鞭毛、纤毛和微绒毛功能的研究还处在初期阶段，以上介绍的也只是其中的部分例子，许多问题还没有答案，但是从已经获得的研究结果来看，从领鞭毛虫继承下来的鞭毛和微绒毛，以及由鞭毛演变成的纤毛，包括动纤毛和静纤毛，在动物身上发挥的作用远超我们的想象。就在你看这篇文章的时候，眼睛里面的静纤毛就在不停地工作，身体各处的静纤毛和微绒毛也在发挥各自的作用，使我们得以正常生活和工作。所以我们应该像对细胞的其它细胞器一样，对我们身体里面的鞭毛、纤毛和微绒毛给以足够的重视。