為什麼幾乎所有生物體內都會有一些「小尾巴生物」

許多種類的細菌菌體上都長有細長而彎曲的「小尾巴」，這些「小尾巴」被稱為「細菌鞭毛」，是細菌的運動器官。細菌鞭毛的基本運動方式呈螺旋狀，每分鐘旋轉200～1000轉，並以每秒60倍細菌長度的速度向前推進，而一頭疾速奔跑的印度豹也只能以每秒25倍身體長度的速度向前推進。

令人驚訝的是，在已知的數百種人體細胞中，99%以上也擁有「小尾巴」，這些「小尾巴」被稱為「纖毛」。與細菌鞭毛的螺旋狀運動方式不同，這些「小尾巴」作前後來回擺動。如我們已知的，一個精子細胞的大部分由它的「尾巴」構成，「尾巴」不停地前後擺動，推動精子前去尋覓卵子。

自發現以來，在近一個世紀里，大多數細胞的「小尾巴」的功能仍然是謎。一些人認為它們只是進化留下的遺迹，而新的研究則認為，它們對於我們的生長發育和學習能力等都起著不可或缺的作用。

1648年，當16歲的列文虎克在一個紡織品商人那裡當學徒時，他研磨出了比當時的放大鏡倍數高得多的鏡片，可將物體放大到實際大小的270倍。世界上最早的顯微鏡由此誕生。

有一天，列文虎克在自己位於荷蘭代夫特城的家裡做了一個實驗：將一滴從池塘里取來的水放在他的顯微鏡下。結果他驚訝地發現，許多微小的生物在這一滴水裡竄來竄去。他將這些小生物叫作「微生物」。之後的幾年裡，他花了許多時間來研究這些微生物。他發現，許多微生物都是通過來回擺動它們的「小尾巴」在水裡遊動的。1676年，他在寫給皇家學會的一封信中，將微生物的這種「小尾巴」稱為「腳」。他寫道：「它們的身體……依靠那些令人難以置信的小細腿，在水中敏捷地遊動。因為它們太小，經過多次觀察我才看清楚了它們的樣子。」

隨著顯微鏡的進一步改進，生物學家發現，所有類型的細胞都擁有會擺動的「小尾巴」。一些細胞的「尾巴」很短，在2～15微米之間。這樣的尾狀物被叫作「纖毛」——拉丁語cilia，意思是眼睫毛。實際上，纖毛有時像眼睫毛一樣成排生長，有時則密集地分布在細胞的部分或全部表面。如人體氣管內壁細胞，其表面分布有200多種纖毛。這些不斷擺動的纖毛的運動方式極為複雜，有點像人類蛙式游泳時雙臂的擺動，其運動軌跡呈立體循環。

還有一些細胞的「尾巴」要長得多——如精子細胞的「尾巴」可長達20～100微米——並通常以單根形式出現。這樣的「尾巴」被叫作「鞭毛」，由拉丁語中的「鞭子」一詞演化而來。鞭毛的運動方式很簡單：通過前後擺動的運動方式產生波浪式的平面運動。

儘管樣子和運動方式不一樣，但所有複雜細胞的纖毛和鞭毛在結構上都是相同的：由九根微管組成一個長長的中空圓柱體，其中心通常還有一對微管——中央微管，通過觸手與鄰近的微管連接在一起進行「行走」運動。整個結構被包裹在一層細胞膜里。

幾乎所有的有著複雜細胞的生物體都存在這樣的尾狀物，從池塘里單細胞的原生動物，到藻類、真菌以及各種動物。唯一例外的是種子植物，但它們仍然擁有祖先遺留下來的許多與纖毛相關的基因。

1867年，俄羅斯胚胎學家考瓦列夫斯基在動物的某些細胞表面發現了明顯運動的小小尾狀物。這些「小尾巴」是幹什麼用的呢？1898年，瑞士解剖學家齊默爾曼在哺乳動物的細胞內有了類似的發現，他認為這些「小尾巴」可能起著某種感知作用。可惜的是，它們實在太小，使用當時的光學顯微鏡很難看清楚它們的真面目，這給進一步的研究帶來了很大的困難，當時的大多數生物學家也因此沒有過多地關注這些小小的「尾巴」。

直到20世紀60年代，電子顯微鏡的出現才讓科學家得以窺探這些像小尾巴一樣的纖毛的內部結構。觀察發現，纖毛分為兩種：一種是運動纖毛，能夠長久地向同一方向運動；另一種是非運動纖毛。兩者有一些細微的差別：非運動纖毛沒有運動纖毛中間的那一對微管。非運動纖毛被命名為「原纖毛」，因為它們出現在運動纖毛之前。例如，在老鼠的肺形成時，在細胞上最早出現的就是原纖毛。

在接下來的幾十年里，研究人員對非運動纖毛的形成和結構有了更多的了解。除肝細胞而外，它們幾乎存在於人體中所有類型的細胞里。儘管它們如此普遍地存在於人體內，一些生物學家仍然將它們視為只是進化留下的殘留遺迹而己。但另外一些人則認為，既然它們在各種細胞內如此普遍地存在，不大可能真的一點兒用處也沒有。那麼，它們究竟有什麼用處呢？這個問題一直困擾著科學家們。直到世紀之交，隨著一些實驗證據的出現，科學家開始認識到，非運動纖毛在我們身體大部分器官的生長發育和功能上起著非常關鍵的作用。

一些生物學家致力於研究一種被叫作「多囊腎疾病」的常見遺傳性疾病——患者的腎臟里形成充滿液體的囊腫，最終導致腎功能衰竭。研究表明，人體腎臟內，液體從一些很小的小管中流過，這些小管內層的細胞表面都有凸出來的非運動纖毛，它們隨著液體的流過而彎折，而細胞會對纖毛的彎折行為做出反應。進一步的研究顯示，就像感測天線一樣，腎細胞利用它們的纖毛感知液體的流動，如果這些「感測天線」不能正常工作，腎臟器官就會出現問題。

這一發現引起了其他生物學家的關注。在過去10年里，一系列裡程碑式的研究表明，非運動纖毛表現出各種各樣奇特的感知能力。除感知流體運動外，非運動纖毛還對化學物質有感知能力，甚至能夠感知滲透濃度、溫度和重力。例如，我們通過嗅覺受體聞到氣味，而真正起作用的是嗅覺神經元上的非運動纖毛。

這些感官功能對於我們的重要性，在僅僅幾年前還是不可想像的。而今天，科學家通過對某些疾病的追蹤調查發現，正是這些「感測天線」的基因突變，導致了失明、肥胖症、腎功能衰竭、四肢短小和肋骨狹窄（引起嬰兒呼吸衰竭）等很多疾病。

研究證明，之所以會出現如此多的不同的疾病，是因為非運動纖毛在很多生理過程中都發揮著作用。例如，在胚胎髮育期間，細胞之所以能夠移動遷移並形成新的組織和器官，非運動纖毛功不可沒——細胞通過非運動纖毛感知周圍的環境，並作出相應的行為改變。即使成年人的器官功能維護，也需要這種持續的信息反饋。例如，在骨和軟骨處，非運動纖毛可以根據檢測到的壓力程度，決定打開還是關閉維持或加強這些組織的基因。

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