动物细胞的多功能细胞器——鞭毛、纤毛和微绒毛（2）

朱钦士（美国南加州大学医学院）

（上接2017年第7期第6页）

3 感受液体流动的静纤毛和微绒毛

由于静纤毛和微绒毛能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，从而触发信息传递过程，因此，静纤毛和微绒毛可用于感受液体的流动，其中最著名的例子就是静纤毛与多囊肾之间的关系。

3.1 静纤毛功能缺陷是引起多囊肾的原因多囊肾（polycystic kidney disease，PKD）是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，患者最后需透析或换肾才能生存。

对多囊肾的研究表明，引起疾病的原因主要是PKD1和PKD2这2个基因的突变。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基因的产物是多囊蛋白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离子通道的全称是“瞬间受体电位离子通道（transient receptor potential channels）”，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，能在机械力和化合物作用下、温度变化和酸碱变化时开启，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，这个信号可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，从而在肾脏内形成囊肿。

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，所以多囊肾患者常伴有肝囊肿和胰腺囊肿，只是症状不如肾囊肿明显，因此较少被提到。

3.2 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，影响视力甚至导致失明。而眼压增高的原因是房水循环的动态平衡受到了破坏。与晶状体后面的玻璃体（vitreous body）不同，房水（aqueous humor）为水状液体，成分类似于血浆，但是蛋白含量较低。房水的作用是保持一定的眼压，使眼球成为球形，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。所以房水流出受阻会使眼压增高。

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损，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，可感知房水流动从而引起静纤毛弯曲。

3.3 骨骼中的静纤毛能感知骨负荷骨密度与负荷有关，负荷变大能增加骨密度，而宇航员在失重状态下会使骨质流失，说明骨骼能感知加在其上的负荷从而对骨密度作出相应的调整。

有趣的是，骨骼对负荷信息的接收是通过骨细胞（osteocyte）和成骨细胞（osteoblast）上的静纤毛感知骨中液体的流动而实现的。骨骼并非整个是实心固体，而是有许多空穴，称为骨穴（lacunae），骨穴之间有小管连通，组成骨内的穴管系统（lacunocanalicular system）。骨穴和小管内充满液体，称为穴管液（lacunocanalicular fluid）。骨骼在受到外力时，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。骨骼上的负荷越大，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发生突变会造成骨骼发育不正常，包括骨骼变短、多指、头面部畸形等。

在上文谈到的例子中，都是液体流动时细胞上的单根静纤毛弯曲，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，微绒毛也可起感知液态流动的作用，不过在多数情况下微绒毛是和静纤毛一起发挥作用的。

3.4 半规管中的静纤毛和微绒毛可感知转动加速度半规管（semicircular canals）是动物内耳中的3根管子，每根的形状都像一根环状管子的一半，所以称为半规管。3根半规管彼此垂直相交，在方向上类似于空间的X、Y、Z轴，可感知不同方向的转动加速度。半规管里有内淋巴，每条管的两端有膨大的部分，称为壶腹（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，称为盖帽（cupula），内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，里面的静纤毛和微绒毛也跟着偏转，从而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。由于盖帽的体积较纤毛大很多，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，所以纤毛所受的力可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，细丝的作用变成将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2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。

3.5 鱼利用静纤毛和微绒毛感知水流鱼能够通过侧线（lateral line）感知水的流动情况。侧线是鳞片下面的一条管道，在相邻的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，称为神经丘（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钟形的“帽子”内，称为壳斗（cupula），水流的力量会使壳斗发生偏转，从而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同，水会从压力高的地方进入水通道，从压力低的地方流出，会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，从而向鱼提供周围环境丰富的信息，包括捕食者的接近，猎物的逃跑等。体型较小的鱼由于易受到其他动物的捕食，常聚成鱼群（school），以迷惑捕食者。实验表明，失去视力但侧线完整的鱼可跟随鱼群游动，而侧线丧失功能的鱼无法调整自己的方向。

除了鱼类，两栖类动物例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与鱼的神经丘相似。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。蝌蚪在水中生活，侧线同样也发挥重要的作用。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极大扩张，不仅可感知液体的流动，还可在动物的听觉和触觉中发挥作用。

4 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已十分巧妙，若再加以改进，就可以用于感受声音。

4.1 鱼类的耳朵可能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后所产生的感觉。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？鱼类使用的办法是利用物质的惯性：如果一种物质的比重大于水，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，从而使静纤毛偏转。

鱼类所使用的高密度物质，就是听石（otolith）。听石含有碳酸钙，比重较水及主要由水组成的细胞的密度大。鱼的头部有2个装有淋巴液的囊，因其形状像瓶子又叫瓶状囊，其上有听壶（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。听石的比重较大，在有振动时会由于其惯性而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会产生相对位移，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，让钾离子等一些正离子进入细胞，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，转变为感知声音造成的听石膜的相对位移，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，变成了可接收通过空气振动而传播的声音的耳朵，包括人类的耳朵在内。

4.2 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3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。听骨将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——盖膜变形，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，从而触发神经脉冲。

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，2种情况下都可以使与这些结构相连的静纤毛或微绒毛变形，拉开离子通道从而产生神经脉冲。

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

4.3 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。因此昆虫听声音的办法，是用鼓膜收集声音的能量，再直接传递到神经细胞的静纤毛上，这种收集声音能量的结构叫鼓膜器（tympanal organ）。鼓膜器存在于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，这足以使里面的静纤毛变形。感音管由3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动蛋白组成的桿状物，形成一根管子，里面有神经细胞和包裹着神经细胞且富含钾离子的淋巴液。神经细胞伸出1根静纤毛，上面有依靠机械力开启的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。

5 静纤毛在昆虫触觉中的作用

静纤毛既然能在外力作用下变形，使神经细胞发出神经脉冲，也可用于感知物体与身体直接接触所带来的信息，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他物体振动时，也会在感音管那样的结构上加压，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”。感振管能向昆虫提供丰富的信息，例如沙漠里的蝎子可通过感振管获知沙子下面猎物的活动，并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1根神经细胞的静纤毛，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2种情况下，都是浸泡于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，微管位于内部，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，而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中发挥作用。

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