微管为中空的管状结构，其管壁由微管蛋白构成。两个微管蛋白分子可组成二聚体，其形状如同花生壳一般。这些二聚体首尾相连形成一条长丝（原丝），而13条原丝纵向连接在一起，便形成了微管的空心管壁结构（如图6c所示），整个微管还通过相关蛋白的作用以保持其结构的稳定性。在鞭毛与纤毛的轴丝中，一种叫作动力蛋白的分子马达介导了运动的产生。在这一过程中，动力蛋白将相邻的微管连接起来，使其以同步的方式发生相互滑动，从而产生弯曲效应。弯曲效应沿着鞭毛向下传递，最终引起了“鞭打”运动的出现。在20世纪50年代，比约恩·阿夫泽利乌斯（Bjorn Afzelius）发现动力蛋白臂与邻近小管之间存在密切的联系，而现在我们已经得知，动力蛋白臂与邻近小管之间的作用模式并非如爬绳子一般两手交替进行，而是不断地发生连接与断裂。

如果鞭毛动力蛋白发生突变或缺失，后果是非常严重的。在发现动力蛋白的25年后，阿夫泽利乌斯在瑞典的一家不孕症诊所观察了4名不育症患者的**，发现其**尾部轴丝中缺乏动力蛋白臂，因此，这些**是“不会游泳的”。毫无疑问，这将导致不育的发生。此外，有一半的患者还同时患有一种被称为“内脏逆位”的疾病，表现为原本位于身体左侧的主要内脏器官（如心脏、脾脏与胰腺）出现在身体右侧。其原因在于胚胎发育早期，当左右体轴建立时，胚胎缺乏具有相应功能的纤毛。在20世纪30年代，马内斯·卡塔格内（Manes Kartagener）对其进行描述后，这一疾病被命名为卡塔格内综合征。

每个细胞都含有一种特化的纤毛。这些“初级纤毛”主要作为感觉结构发挥作用，如同无线电天线一般从周围环境中收集信息。初级纤毛不能独立运动，因为它们缺乏中央微管与周围9个小管之间的动力蛋白连接。目前我们已经得知，初级纤毛可作为机械与化学刺激的受体，发挥重要的作用。在鼻腔内壁，经过修饰的初级纤毛与感觉气味的嗅上皮特化细胞（树突小结）上的感受器相连。而在眼睛中，视网膜特化的光感受器也通过初级纤毛附着于细胞上。此外，初级纤毛还在细胞分裂中起到了控制的作用，并很可能参与了细胞的运动过程。

由纤毛缺陷所引起的疾病被称为纤毛病（ciliopathies）。纤毛病有着广泛的症状，在鉴定出共同的细胞学病因之前，这些症状常常被误认为是相互独立的。纤毛病的其中一些症状可能在所有患者中都出现，而另一些则是相对独特的。口腔-面部-手指综合征患者常患有多指及肾脏问题。于19世纪末首次发现的Bardet-Biedl综合征患者同样存在肾脏问题，但同时还患有可引起失明的视网膜退化、肥胖以及糖尿病等症状——所有这些症状都是由缺乏相应功能的纤毛所引起的。

细胞内微管

微管曾被认为仅存在于轴丝中，直到20世纪60年代初，随着电子显微镜样品制备技术的改进，研究者才发现微管存在于整个细胞质中。由于微管总是以直杆的形式呈现，它们最初被认为是一种刚性且稳定的结构。然而，刘易斯·蒂尔尼（Lewis Tilney）与基思·波特（Keith Porter）发现，将一种称为放线菌的原生动物冷却到大约4℃时，所有依赖微管的细胞延伸运动都会因为微管解体而崩溃，而在室温下放置几分钟后，微管又会重新形成。直到20世纪80年代，蒂姆·米奇森（Tim Mitchison）发现微管可以在几秒钟内发生解体并重新形成，这一过程被称为“动态不稳定性”。至此，微管的动态特性才为人们所了解。

除上述功能外，微管也参与了有丝分裂纺锤体框架的形成过程，通过纺锤体的作用，染色体在细胞分裂时被均分至子细胞中（详见第4章）。研究者将分裂中的细胞暴露于秋水仙碱中，由于秋水仙碱可与微管蛋白结合，阻止其相互聚合形成原丝，从而有效抑制有丝分裂纺锤体的形成，引起细胞分裂的“冻结”，这样便可实现染色体的分析。秋水仙碱是秋水仙提取物中的活性成分，古埃及人曾利用这一植物治疗关节炎。此外，我们还可以通过抑制细胞质微管的降解来抑制有丝分裂纺锤体的重新形成。提取自太平洋紫杉树皮的紫杉醇便是这样的一种药物。紫杉醇已成为一种治疗癌症的有效药物。由于剥去树皮会导致树木死亡，人们对紫杉树皮的需求几乎使得美国境内的太平洋紫杉遭受灭顶之灾。但幸运的是，目前人们已掌握了化学合成紫杉醇的技术。由于癌细胞分裂速度较快，几乎所有可以干扰微管与纺锤体形成的物质都是潜在的癌症治疗药物。

成纤维细胞是微管功能研究的首选细胞。成纤维细胞存在于关节、韧带、肌腱等结缔组织中。人工培养的成纤维细胞呈长而扁平的形状，可在培养皿表面移动，具有宽的前缘与窄的后缘（如图3c所示）。与之相反，人工培养的上皮细胞仍保持着扁平与多边形的形状特点（如图3b所示）。在所有人工培养的细胞中，细胞质微管从靠近细胞核的中心体处向外辐射。中心体作为微管的组织中心，可以控制微管的量与分布情况。中心体由中心粒所构成，这些中心粒与鞭毛或纤毛基部的基底体具有相同的结构。中心粒以成对的形式出现，彼此呈直角。在细胞分裂早期，它们将分离并迁移至细胞的两端，进而组织搭建形成有丝分裂纺锤体的微管。

体外细胞培养是一个相对简短的技术步骤，包括在培养瓶中培养细胞、为细胞提供合适的环境（37℃的培养箱）以及将培养瓶放置于显微镜载物台上以便进行活细胞功能观察等。由于活细胞基本呈透明状，如果缺乏相差显微镜等光学系统的帮助，我们将很难看到细胞中的许多细节。通过相差显微系统，细胞成分中折射特性的微小差异便可以转化为亮与暗的区域。由于这一重大进展，弗里茨·泽尼克（Frits Zernicke）于1953年获得了诺贝尔奖。如今，通过将目的基因与绿色荧光蛋白（GFP，专有名称为水母光蛋白）相结合的方式，几乎所有蛋白均可被“标记”上荧光（当被紫外光照射时便可发光）。GFP最初从一个“夜光”水母中提取获得，通过改变其氨基酸序列，GFP的荧光性质也随之发生改变，呈现出蓝色、橙色、黄色与红色荧光，这样便可以在同一个活细胞中同时追踪几种不同的蛋白信号。除此之外，低光照相机也可以在一个细胞中捕获到几个分子的信号，同时还具有激光照射、计算机成像与分析功能，并可以对活细胞进行观察。这些新兴的技术为研究者们提供了几年前仍无法想象的海量信息。如今，我们可以在光学显微镜下观察特定的活细胞，然后在毫秒内将其“快速冻结”，并进一步利用电子显微镜进行观察。一种被称为量子点的微探针既可发出荧光（可以用于光学显微镜观察），又具有电子致密的特点（可以用于电子显微镜观察），因此，利用微探针便可以对同一个分子进行标记，进而通过光学显微镜与电子显微镜两种技术进行观察。

利用相差显微镜对大多数活细胞进行初步观察，可能会让一些外行人大失所望，因为在镜下看起来，似乎并没有什么特别的事情发生。单细胞生命体可以在鞭毛或纤毛的驱动下四处游动，而阿米巴原虫也可以缓慢爬行。对于培养中的细胞，科普节目中所展示的细胞活动视频必然是通过间歇性拍摄法所实现的，即以几秒钟的时间间隔拍摄出单幅图像，然后再进行加速播放。通过这样的方法，原本细胞将花费一小时时间进行分裂，而在拍摄时，我们每隔10秒才拍摄一张图片，最后再以每秒25帧的方式播放图像，这可以将整个细胞分裂的过程压缩到10秒以内，使其呈现出更为动态的特点。

大约在20世纪70年代中期，人们通过缩时定格显微镜观察到了看似不同寻常的细胞内运动。除了细胞质连续且随机的布朗运动外，细胞内还存在一种明显的停止/运动模式，即一个粒子在细胞中突然移动了几微米，并时常在停止与运动之间切换。令人惊奇的是，这种“跳跃式”运动往往沿直线产生，就如同在轨道上一般。在冷刺激或秋水仙碱（可以破坏微管）处理后，跳跃运动将受到干扰；而在紫杉醇（可以稳定微管）处理后，跳跃运动则不受干扰。很显然，这说明完整的微管就像导轨一样，介导了细胞内囊泡的运输。直到20世纪90年代中期，人们才发现物质是如何沿着微管运动的，同时鉴定出了负责运输的马达蛋白——驱动蛋白。驱动蛋白的形状就像一个颠倒的“Y”字母，因此它就像拥有了两条腿一般，可以“沿着微管行走”，并且在头顶上顶着一个大气球（附着的液泡），宛如一名走钢丝的步行者一般。细胞质形式的动力蛋白（可以驱动鞭毛微管彼此通过）也以非常相似的方式工作着。以上两种分子的能量由ATP所提供。分子在行走时，“每一步”是16纳米，而每微米行程则须走62步，因此几个微米（横跨半个细胞）的路程约在几分钟内便可完成。通过在电子显微镜下对分子细节进行分辨，驱动蛋白和微管之间的分子相互作用最终得以确定。这一研究结果得益于瞬时细胞冷冻技术的发展，它可以使细胞内分子结构固定至与活细胞完全一致的状态。在网络上可以找到相关的分子动画，它们很好地展示了运动蛋白与微管间的相互作用关系。