如果有一篇科學論文說：生物體每種細胞以及細胞裡的胞器都各自有特定的大小，不會隨興所至，愛長多大就變成多大。這樣的結論或許會讓人覺得有一點無聊──這不是顯而易見的事實嗎？有什麼大不了的？不過，愈是顯而易見的陳述，通常藏有愈難回答的問題。如果進一步追問：細胞怎麼控制自己的胞器的大小？怎麼知道是仍要繼續長大、已經長過頭了，還是要維持現狀？這個問題就很難回答。難回答的原因除了因為理所當然的事理容易被忽略之外，找不到適合的研究體系而不知從何下手是主因之一。不過耶魯大學的W. Marshall與 J. Rosenbaum最近在＜細胞生物學期刊＞(Journal of Cell Biology)發表了一篇報告，試圖去回答細胞是怎麼調控鞭毛的長短。
鞭毛跟纖毛的構造大致相同，是從細胞表面凸出的胞器。由於鞭毛長得細細長長的，所以決定鞭毛這個胞器大小其實就主要取決於鞭毛的長度。鞭毛跟纖毛組成的蛋白質雖然高達兩百五十種以上，但是主要的骨架是由微小管(microtubule)所組成。微小管是由一個個的微管素(tubulin)單體所聚合而成，所以我們可以把細胞形成鞭毛的過程類比成人們在地面上建築一座高樓，建高樓所需的建材種類很多，但是主要的架構則是由一個個鋼骨焊接起來。微管素聚合成微管的過程是有方向性的，從巨觀現象來看，微管素會在微小管的一端聚合使微小管增長（稱為正端），另一端會解離而使得整個微小管變短（稱為負端），而鞭毛／纖毛的負端是在離細胞本體比較近的一端，正端則是在突出的鞭毛頂部。換句話說，細胞蓋這棟高樓只會在高高的樓頂繼續焊接鋼骨加高，而不會在底部增長。鋼骨可不可以無限制地焊接上去，讓鞭毛不斷地延長呢？根據經驗來判定，答案顯然是否定的，而概念上可以有兩種方式來限制鞭毛的無限制加長：第一種方式是使剛加上去的微管素單體很快地就解離掉下來。這個方式就好比有群專門在高樓頂部搞破壞的搗蛋份子，把加長焊上去的鋼骨給卸了下來；在鞭毛的正端你堆高我移除，所以長度增加不了。另一種方式則不是因為在樓頂有人搗蛋破壞，而是底部發生地層下陷，所以頂上一直加高，但是在底部則持續地陷落沒入。如此一來，微管素在鞭毛的尖端不斷地接長，卻在底部崩塌，兩者相抵，還是保持一定的長度。
利用一種具有兩條鞭毛的單細胞藻類Chlamydomonas，Rosenbaum領導的研究群設計了一個巧妙的方式來觀測到底在活體細胞內是透過上述哪一種方式來維持鞭毛的長短。他們先把單胞藻的鞭毛除去，再讓細胞重新再生鞭毛，但是鞭毛長到一半時用蛋白質合成抑制劑處理，以剝奪微管素的供應。既然微管素是聚合成鞭毛微小管的主要成分，這時候沒原料了，鞭毛的生長就只好停工。接著，他們把這樣的細胞跟另外一個未經剝奪微管素處理的細胞進行交配，但是這第二個細胞已經利用分子生物技術基因改造過，在微管素上加了幾個特定胺基酸的標記，可以被特定的抗體染色而在螢光顯微鏡下發出紅色螢光。當兩種細胞交配融合，細胞質相通，先前微管素被剝奪的細胞可以獲得新的原料供應，所以鞭毛就會繼續生長了﹔而新的原料上有特殊的標記，所以利用螢光顯微鏡觀察就知道新加上去的微管素單體是怎麼聚合的。這就好比某營造商蓋高樓建到一半因財務不佳沒錢買鋼骨建材而停工，後來被別的公司併購，獲得新公司提供的材料而復工，不過新公司的材料上都有帶有商標廣告，因此我們可以看看這棟樓那些部分是有廣告標記，就知道那些部分是復工後新建的部分，哪些是原本停工前就既有的。如果鞭毛長度的調控是第一種方式，因為有人在樓頂破壞搗蛋所以樓才建不高，則我們預測底下舊有早就建好的部分應該不受影響，只是新建的部分在蓋蓋拆拆而有長短變化；如果是由於第二種方式因地層陷落底層崩解而使大樓只能一直那麼高，那麼舊建築的部分會一直陷落減少，終究都會被新建材所取代。結果研究人員發現新加上的微管素只會在鞭毛的新生尖端有些許變化，舊有的部分不會漸漸縮短或被帶有標記的新合成部分所取代，所以細胞應該是透過第一種方式，利用尖端微管素的聚合與解離的相對抗，來維持鞭毛的長度保持在一定的範圍之內。就像是焊鋼骨接長加高，必須跟掉下來的重力作用相抗衡，微管素聚合成微小管的作用也會被解離的逆反應所拮抗。鞭毛生長時正端之所以可以延長，是因為聚合的效率高過於解離的反應，但是當微小管愈來愈長之後，受到微管素本身生化特性的影響，聚合構造的不穩定程度增加，這時候正端解離反應就勝過聚合的速率，沒辦法繼續增長了。所以，最後會達成一個動態平衡的狀態。
既然鞭毛生長與調控鞭毛長度的重要反應都是發生在正端，另外一個問題又出現了：正端是位於遠離細胞本體的尖端，這些原料與調控的因子要怎麼到達遠端去？就像在樓頂蓋房子，有電梯貨梯把工人監工與建材運到樓頂去，細胞也有一種稱為「鞭毛內運輸」(intraflagellar transport, 簡稱IFT)的輸送機制，上上下下傳送原料與回收材料。我們可以想見如果IFT的輸送有變化，影響了原料建材的提供，對於鞭毛的生長應該有相當的影響。利用一種會因為培養溫度的不同而改變IFT的突變種，研究人員進行前面所說的剝奪／融合／標記實驗，結果發現當加溫使得IFT減慢甚至停止時，鞭毛尖端沒辦法生長，因此觀察不到新的螢光標記。不僅如此，阻絕IFT之後，連舊有的鞭毛也開始變短。這個現象是可以理解的──當貨梯壞了，沒辦法送新建材上去樓頂施工，大樓當然沒辦法蓋下去了，但是破壞搗蛋的繼續作怪，最後會把整座樓都拆個一大半。
簡單的事情總有道理。以鞭毛的長短調控為例子，我們可以發現細胞透過正反兩種相互拮抗的機轉，維持某個一定的生理狀態。乍看之下似乎很浪費能量，不過這樣相互制衡的機轉可以不致獨厚或偏廢某一個特殊的生理反應，當需要轉移或重置新的生理狀態時可以快速有效地回應勝任。而透過對於參與反應的生物分子的輸送與供應，也可以協助控制調節正向反向兩種反應的能力，促成某個生理狀態的設定。生物經過演化壓力的嚴苛考驗，對於怎樣維持兩者之間的平衡自有生存之道，不至於空轉虛耗，自遏生機。這一點光會高叫制衡搗亂的人們真該學一學。
圖片來自 Marshall and Rosenbaum.(2001). J. Cell Biol. 155: 405-414.
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