動物細胞的多功能細胞器
——鞭毛、纖毛和微絨毛（2）

朱欽士（美國南加州大學醫(yī)學院）

（上接2017年第7期第6頁）

3 感受液體流動的靜纖毛和微絨毛

由于靜纖毛和微絨毛能在液體流動的沖擊力下彎曲變形，位于靜纖毛和微絨毛上感受機械力的受體在外力作用下開啟，使細胞外的正離子進入細胞，從而觸發(fā)信息傳遞過程，因此，靜纖毛和微絨毛可用于感受液體的流動，其中最著名的例子就是靜纖毛與多囊腎之間的關系。

3.1 靜纖毛功能缺陷是引起多囊腎的原因多囊腎（polycystic kidney disease，PKD）是較常見的遺傳性疾病，發(fā)病率約為1/1000，其特征是腎臟中出現(xiàn)多個大小不一的囊腫（cyst），這些囊腫不斷增大，破壞腎臟的功能，患者最后需透析或換腎才能生存。

對多囊腎的研究表明，引起疾病的原因主要是PKD1和PKD2這2個基因的突變。患者通常從父母遺傳獲得一份突變的基因，如果另一份基因后來也發(fā)生突變，就會引發(fā)疾病。PKD1基因的蛋白產(chǎn)物為多囊蛋白1（polycystin 1，PC1），PKD2基因的產(chǎn)物是多囊蛋白2（polycystin 2，PC2），它們都位于腎小管上皮細胞伸出的靜纖毛上，形成多囊蛋白復合體，其中任何一個蛋白的功能異常都會導致多囊腎。

PC2是TRP離子通道家族的成員。TRP離子通道的全稱是“瞬間受體電位離子通道（transient receptor potential channels）”，是在果蠅的一種突變體上發(fā)現(xiàn)的。這個通道基因的突變會使果蠅的感光細胞在受到連續(xù)光照時只發(fā)出短時（瞬間）的電信號。隨后的研究發(fā)現(xiàn)，TRP離子通道有多種，是多功能受體，能在機械力和化合物作用下、溫度變化和酸堿變化時開啟，讓細胞外的陽離子進入細胞，觸發(fā)動作電位。在腎小管中，PC2在PC1的協(xié)助下，感知腎小管內(nèi)尿液的流動情況。尿液的流動會使靜纖毛彎曲，拉開PC2離子通道，使鈣離子進入細胞，這個信號可保持細胞狀態(tài)的恒定。如果靜纖毛的這個作用失效，腎小管的上皮細胞就會增生，堵塞腎小管，同時細胞分泌液體增加，從而在腎臟內(nèi)形成囊腫。

除了在腎小管中監(jiān)測液體的流動，靜纖毛還在膽管和胰腺管中監(jiān)測膽汁和胰消化液的流動，所以多囊腎患者常伴有肝囊腫和胰腺囊腫，只是癥狀不如腎囊腫明顯，因此較少被提到。

3.2 眼球中的靜纖毛感知房水的流動眼壓升高會導致青光眼（glaucoma），損傷眼睛的結構，影響視力甚至導致失明。而眼壓增高的原因是房水循環(huán)的動態(tài)平衡受到了破壞。與晶狀體后面的玻璃體（vitreous body）不同，房水（aqueous humor）為水狀液體，成分類似于血漿，但是蛋白含量較低。房水的作用是保持一定的眼壓，使眼球成為球形，角膜有正確的形狀，同時提供營養(yǎng)。房水是流動的，由睫狀體產(chǎn)生，進入后房（晶狀體和睫狀體之間的腔室），越過瞳孔到達前房（角膜和晶狀體之間的腔室），再從前房的小梁網(wǎng)（trabecular meshwork）流出，回流到血循環(huán)。所以房水流出受阻會使眼壓增高。

房水的流動是由小梁網(wǎng)上細胞的靜纖毛感知的。OCR1基因的突變會使靜纖毛的功能受損，影響房水流出。研究表明，OCR1基因也是一種TRP離子通道（TRPV4）的基因，其蛋白產(chǎn)物位于靜纖毛上，可感知房水流動從而引起靜纖毛彎曲。

3.3 骨骼中的靜纖毛能感知骨負荷骨密度與負荷有關，負荷變大能增加骨密度，而宇航員在失重狀態(tài)下會使骨質(zhì)流失，說明骨骼能感知加在其上的負荷從而對骨密度作出相應的調(diào)整。

有趣的是，骨骼對負荷信息的接收是通過骨細胞（osteocyte）和成骨細胞（osteoblast）上的靜纖毛感知骨中液體的流動而實現(xiàn)的。骨骼并非整個是實心固體，而是有許多空穴，稱為骨穴（lacunae），骨穴之間有小管連通，組成骨內(nèi)的穴管系統(tǒng)（lacunocanalicular system）。骨穴和小管內(nèi)充滿液體，稱為穴管液（lacunocanalicular fluid）。骨骼在受到外力時，會輕微變形，擠壓骨穴和小管，使骨穴液流動。骨細胞和成骨細胞上的靜纖毛都能夠感知這種流動，讓成骨細胞分泌更多的類骨質(zhì)（osteoid），類骨質(zhì)再礦物化就形成骨質(zhì)，使骨密度增加。骨骼上的負荷越大，靜纖毛彎曲越厲害，使骨密度增加的信號也越強。而與靜纖毛功能有關的基因發(fā)生突變會造成骨骼發(fā)育不正常，包括骨骼變短、多指、頭面部畸形等。

在上文談到的例子中，都是液體流動時細胞上的單根靜纖毛彎曲，使位于靜纖毛上的離子通道開啟，觸發(fā)信息傳遞鏈。除了靜纖毛的這種功能，微絨毛也可起感知液態(tài)流動的作用，不過在多數(shù)情況下微絨毛是和靜纖毛一起發(fā)揮作用的。

3.4 半規(guī)管中的靜纖毛和微絨毛可感知轉(zhuǎn)動加速度半規(guī)管（semicircular canals）是動物內(nèi)耳中的3根管子，每根的形狀都像一根環(huán)狀管子的一半，所以稱為半規(guī)管。3根半規(guī)管彼此垂直相交，在方向上類似于空間的X、Y、Z軸，可感知不同方向的轉(zhuǎn)動加速度。半規(guī)管里有內(nèi)淋巴，每條管的兩端有膨大的部分，稱為壺腹（ampullae），壺腹內(nèi)一側的壁增厚，向管腔內(nèi)突出，形成一個與管長軸相垂直的壺腹嵴（crista）。壺腹嵴內(nèi)有一個膠質(zhì)的冠狀結構，稱為蓋帽（cupula），內(nèi)有感覺神經(jīng)細胞的靜纖毛和微絨毛。動物頭部旋轉(zhuǎn)時會帶著半規(guī)管一起轉(zhuǎn)動，但管內(nèi)的內(nèi)淋巴液由于慣性而位置滯后，在半規(guī)管內(nèi)流動，沖擊壺腹嵴使其偏轉(zhuǎn)，里面的靜纖毛和微絨毛也跟著偏轉(zhuǎn)，從而使感覺神經(jīng)細胞產(chǎn)生神經(jīng)脈沖，提供身體轉(zhuǎn)動的信息。

在這個例子中，淋巴液并不直接沖擊靜纖毛使其彎曲，而是通過蓋帽。由于蓋帽的體積較纖毛大很多，受淋巴液沖擊時產(chǎn)生的力量也更大。感知機械力的受體也不是位于靜纖毛上，而是位于微絨毛上。由于神經(jīng)細胞上的靜纖毛和微絨毛是通過細絲彼此相連的，所以纖毛所受的力可通過細絲傳遞到微絨毛上，拉開位于微絨毛細胞膜上的TRP離子通道，觸發(fā)神經(jīng)脈沖。

這種微絨毛之間以細絲相連的結構是從領鞭毛蟲中繼承下來的。領鞭毛蟲的領毛之間就以細絲相連，組成過濾網(wǎng)，以捕獲鞭毛擺動帶來的細菌。在動物中，領毛變成微絨毛，彼此也以細絲相連，而且在半規(guī)管的蓋帽中，靜纖毛也通過細絲與微絨毛相連，細絲的作用變成將靜纖毛受到的力傳遞給微絨毛。連接微絨毛的細絲是從領鞭毛蟲連接領毛的細絲演化而來的說法也得到細絲組成的支持，因為在這2種情形中，細絲都是由鈣連蛋白（Cadherin）組成的。

動物的這個“發(fā)明”增加了靜纖毛和微絨毛感知機械力的靈敏度，所以被發(fā)展成為多種功能的感受器，在魚感知水流，以及動物的聽覺和觸覺中起作用。

3.5 魚利用靜纖毛和微絨毛感知水流魚能夠通過側線（lateral line）感知水的流動情況。側線是鱗片下面的一條管道，在相鄰的鱗片之間拐到鱗片上方，在那里有一個開口，在開口之后，通道又鉆到鱗片下，再從下一片鱗片的上方鉆出。這有點像新疆的坎兒井，水通道在地下，隔一段距離有一個通向地表的開口。在通道鉆入鱗片下以后，通道的下方有感覺水流的結構，稱為神經(jīng)丘（neuromast）。每個神經(jīng)丘含有數(shù)個感覺神經(jīng)細胞，這些神經(jīng)細胞的頂端長出許多根微絨毛和一根靜纖毛，它們之間也以細絲相連。這些微絨毛和靜纖毛被套在一個鐘形的“帽子”內(nèi)，稱為殼斗（cupula），水流的力量會使殼斗發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而使里面的靜纖毛發(fā)生偏轉(zhuǎn)，通過細絲給微絨毛一個拉力，觸發(fā)神經(jīng)信號。所以神經(jīng)丘的工作原理和半規(guī)管壺腹嵴的工作原理是一樣的，只不過用殼斗取代了蓋帽。

如果魚周圍的水被擾動得很厲害，在不同的開口處水的壓力就會不同，水會從壓力高的地方進入水通道，從壓力低的地方流出，會在側線的各段形成方向不一致的水流。在不同側線位置上的神經(jīng)丘會感覺到這些水流的方向和速度，從而向魚提供周圍環(huán)境豐富的信息，包括捕食者的接近，獵物的逃跑等。體型較小的魚由于易受到其他動物的捕食，常聚成魚群（school），以迷惑捕食者。實驗表明，失去視力但側線完整的魚可跟隨魚群游動，而側線喪失功能的魚無法調(diào)整自己的方向。

除了魚類，兩棲類動物例如青蛙身體兩側也有側線，側線上的神經(jīng)丘在結構和功能上與魚的神經(jīng)丘相似。由于青蛙身體表面沒有鱗片，神經(jīng)丘是直接暴露在身體表面的。蝌蚪在水中生活，側線同樣也發(fā)揮重要的作用。例如在水流中，蝌蚪總是頭朝向水流來的方向，這種行為叫趨流性（rheotaxis）。氯化鈷（CoCl2）能干擾神經(jīng)丘的功能，如果用氯化鈷抑制側線的功能，蝌蚪就無法在水流中定向。

這些例子都說明，經(jīng)過增加結構提高靜纖毛和微絨毛感受機械力的靈敏度，它們接收信息的功能就可以極大擴張，不僅可感知液體的流動，還可在動物的聽覺和觸覺中發(fā)揮作用。

4 感受機械力的靜纖毛和微絨毛在聽覺中的作用

半規(guī)管中壺腹嵴和魚類側線中神經(jīng)丘那樣的結構工作原理已十分巧妙，若再加以改進，就可以用于感受聲音。

4.1 魚類的耳朵可能是從側線的壺腹嵴發(fā)展而來的聲音是經(jīng)由物質(zhì)傳遞的振動被動物感知后所產(chǎn)生的感覺。魚在水中生活，而水的振動只能造成物質(zhì)在很短距離上做周期性的反復位移，而不會造成方向一致的水流，魚又是如何感知聲音的？魚類使用的辦法是利用物質(zhì)的慣性：如果一種物質(zhì)的比重大于水，在振動到達時就不會同步振動，而是有滯后，這樣就會在與之連接的低密度的物質(zhì)之間產(chǎn)生相對位移，從而使靜纖毛偏轉(zhuǎn)。

魚類所使用的高密度物質(zhì)，就是聽石（otolith）。聽石含有碳酸鈣，比重較水及主要由水組成的細胞的密度大。魚的頭部有2個裝有淋巴液的囊，因其形狀像瓶子又叫瓶狀囊，其上有聽壺（lagena）。聽壺上有加厚的結構，叫囊斑（macula），囊斑的內(nèi)壁上有許多聽覺細胞。這些細胞的上面覆蓋著一層含有聽石的膠質(zhì)層，叫做聽石膜（otolithic membrane），與靜纖毛的頂端接觸。聽石的比重較大，在有振動時會由于其慣性而不能與聽覺細胞層同步移動，于是在聽石膜和聽覺細胞層之間會產(chǎn)生相對位移，使得與聽石膜接觸的靜纖毛發(fā)生偏轉(zhuǎn)。靜纖毛的偏轉(zhuǎn)會在細絲上產(chǎn)生拉力，直接拉開微絨毛膜上的離子通道，讓鉀離子等一些正離子進入細胞，使聽覺細胞去極化，觸發(fā)神經(jīng)脈沖。

在這里，聽覺細胞上靜纖毛和微絨毛之間的關系與魚類側線神經(jīng)丘里面的神經(jīng)細胞類似，都是細絲連接靜纖毛和微絨毛，靜纖毛的位移拉開微絨毛上的離子通道，所以魚類的耳朵很可能是從側線的神經(jīng)丘變化而來的，不同的是在魚耳中，聽石膜代替了殼斗，功能也從感知液體流動使殼斗變形，轉(zhuǎn)變?yōu)楦兄曇粼斐傻穆犑さ南鄬ξ灰疲亲詈蟮男Ч际鞘轨o纖毛偏轉(zhuǎn)。這個感知聲音的巧妙結構也被陸生動物繼承，變成了可接收通過空氣振動而傳播的聲音的耳朵，包括人類的耳朵在內(nèi)。

4.2 人類的耳朵用微絨毛感知聲音人在陸地上生活，聲音主要是通過空氣振動傳播的?？諝獾拿芏缺人〉枚啵駝赢a(chǎn)生的機械力也小得多，不足以使聽石膜那樣的結構直接產(chǎn)生位移。人類使用的辦法是用鼓膜接收振動，由于鼓膜的面積比與之連接的聽骨大得多，鼓膜隨空氣振動的力量在傳給聽骨時就會被放大。人耳的聽骨有3塊，分別是錘骨、砧骨及鐙骨，通過杠桿原理將機械力進一步放大。聽骨將振動傳遞到耳蝸內(nèi)富含鉀離子的淋巴液中，使淋巴液的壓力周期性地變化。這種壓力變化使得有彈性的片狀結構——蓋膜變形，就像在一片厚橡皮上加壓會使橡皮向四周延伸一樣。蓋膜是與聽覺細胞上的微絨毛相連的，微絨毛之間也有細絲連接。蓋膜的變形會使微絨毛偏轉(zhuǎn)，拉開微絨毛膜上的離子通道，使鉀離子進入細胞，從而觸發(fā)神經(jīng)脈沖。

在魚類的側線中，感覺細胞的微絨毛與靜纖毛的直徑已經(jīng)非常接近，所以靜纖毛的功能完全可以被微絨毛取代。在人耳的聽覺細胞中，靜纖毛已經(jīng)退化，只剩下若干根按高低排列的微絨毛，這些微絨毛彼此之間通過細絲相連，在最長的微絨毛變形時拉開較短微絨毛上的離子通道，因此最長的那根微絨毛的作用就相當于靜纖毛。所以從魚到人，都是使用類似的靜纖毛-微絨毛連絲或者微絨毛-微絨毛連絲將聲音的機械能轉(zhuǎn)化為神經(jīng)脈沖的。不同的只是轉(zhuǎn)化聲音的結構，在魚中是聽石膜的位移，在人是先用鼓膜收集聲音的能量，再通過淋巴液的壓力變化使蓋膜變形，2種情況下都可以使與這些結構相連的靜纖毛或微絨毛變形，拉開離子通道從而產(chǎn)生神經(jīng)脈沖。

陸生動物通過鼓膜收集空氣振動能量的機制非常有效，這種機制在低等動物中就已經(jīng)出現(xiàn)了，正如昆蟲的鼓膜器，不過昆蟲接收聲音信號是通過單根靜纖毛，而不是靜纖毛加微絨毛。

4.3 昆蟲用鼓膜器聽聲音昆蟲是在陸地上生活的，但是許多昆蟲的身體很小，容納不下人耳那樣復雜的結構。因此昆蟲聽聲音的辦法，是用鼓膜收集聲音的能量，再直接傳遞到神經(jīng)細胞的靜纖毛上，這種收集聲音能量的結構叫鼓膜器（tympanal organ）。鼓膜器存在于在昆蟲身體表面的許多地方，包括胸、腹、腿。鼓膜器是昆蟲外骨骼上的薄膜，里面有氣囊，這樣鼓膜可以隨空氣振動而振動。與鼓膜相連的，是一根或數(shù)根感音管（scolopidia）。感音管與鼓膜垂直相連，鼓膜的振動會直接傳遞給感音管。由于鼓膜的面積比感音管大得多，鼓膜振動傳遞給感音管的力量也被放大，這足以使里面的靜纖毛變形。感音管由3種細胞組成：頂端的冠細胞、管狀的導音桿細胞和被導音桿細胞包裹的神經(jīng)細胞。導音桿細胞含有由肌動蛋白組成的桿狀物，形成一根管子，里面有神經(jīng)細胞和包裹著神經(jīng)細胞且富含鉀離子的淋巴液。神經(jīng)細胞伸出1根靜纖毛，上面有依靠機械力開啟的TRP離子通道。鼓膜的振動通過冠細胞傳遞到靜纖毛上，使纖毛變形，離子通道開啟，鉀離子進入細胞，觸發(fā)神經(jīng)脈沖。

5 靜纖毛在昆蟲觸覺中的作用

靜纖毛既然能在外力作用下變形，使神經(jīng)細胞發(fā)出神經(jīng)脈沖，也可用于感知物體與身體直接接觸所帶來的信息，這就是觸覺。昆蟲的腿是中空的，里面含有許多像感音管那樣的結構，一端與腿壁相連，另一端連在一個盤狀結構上。與腿接觸的地面或其他物體振動時，也會在感音管那樣的結構上加壓，使里面神經(jīng)細胞上的靜纖毛變形，觸發(fā)神經(jīng)脈沖，因此昆蟲腿上感音管那樣的結構其實是“感振管”。感振管能向昆蟲提供豐富的信息，例如沙漠里的蝎子可通過感振管獲知沙子下面獵物的活動，并根據(jù)振動波到達不同腿的時間差，得知獵物的位置和運動方向。

昆蟲的另一個觸覺器官是剛毛器（bristle organ）。昆蟲的體表長有許多硬毛，叫做剛毛（bristle）。剛毛的基部是中空的，里面插有1根神經(jīng)細胞的靜纖毛，纖毛周圍有淋巴液包圍。剛毛與外界物體接觸時會偏轉(zhuǎn)，使得插在剛毛中的靜纖毛變形，使鉀離子進入神經(jīng)細胞，觸發(fā)神經(jīng)脈沖。

在這2種情況下，都是浸泡于淋巴液中的靜纖毛在外力作用下變形，拉開靜纖毛上的離子通道，發(fā)出觸覺信號。有趣的是，剛毛中既有微管，又有微絲，微管位于內(nèi)部，但不像在鞭毛中那樣規(guī)則排列；微絲在外，靠近剛毛表面，聚集成束。這說明突出細胞表面的線狀結構對于接受信號是重要的，而對內(nèi)部結構的要求不是那么嚴格。

如果靜纖毛和微絨毛的細胞膜上所含的不是機械力開啟的離子通道，而是能感知分子結構的受體分子，靜纖毛和微絨毛就可以成為味道和氣味的接收器，即在動物的味覺和嗅覺中發(fā)揮作用。

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