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人体有一些内置系统来照顾自己。排列在我们的肺部，鼻部，大脑和生殖系统中的细胞具有纤毛，纤毛是微小的毛发状结构，旨在清除液体，细胞和微生物以保持健康。但他们动议背后的机制尚不清楚。
位于圣路易斯的华盛顿大学McKelvey工程学院和医学院的一组研究人员想要确定长度如何影响击打纤毛的机械效率。他们发现，大多数机械指标，包括力，扭矩和功率，都与纤毛的长度成比例增加，但在效率方面存在“最佳点”。这些发现可以深入了解人类纤毛以及缺陷如何导致疾病，例如原发性纤毛运动障碍，这与慢性呼吸道感染，左右轴和心脏缺陷的变化有关。结果将发表在4月9日的“生物物理学杂志”上。
该研究由Philipie医学实验室的博士后研究员Mathieu Bottier，Lilyan&E。Lisle Hughes机械工程教授，机械工程与材料科学系主任;以及医学院遗传学和细胞生物学和生理学教授Susan K. Dutcher的实验室。研究人员使用高速视频显微镜分析纤毛模型，以确定其机械指标。在分析了近400个视频后，研究小组发现，最有效的纤毛拍打的自然长度为10-12微米，约为人类头发宽度的五分之一。
“我们没想到的是短纤毛不会是周期性的，”波蒂尔说。“纤毛都在移动，但我们发现没有实际的殴打模式 - 没有任何同步 - 这是我们的第一个发现。”
该团队使用莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)，这是一种单细胞绿藻，通常用两条推进尾巴游泳，经常被用作哺乳动物纤毛的模型。Bottier和Kyle Thomas，一位主修生物医学工程的高年级本科生，使用一种只有一个纤毛旋转到位的突变体，允许更长的视频录制。他们移除了纤毛，然后通过视频记录了再生长。纤毛花了大约90分钟恢复到正常长度，虽然它的波形与标准纤毛的波形略有不同，但它的主要特征是相似的。
“我们希望看到cilium殴打，我们用视频做了，”Bottier说。“然后我们问我们如何描述它，最好的方法是观察平均节拍。我们记录了五到六个周期的重复节拍，从这五个或六个，我们可以重建一个平均值，这将删除最终的异常值。“
纤毛的跳动通过一系列弯曲进行，这些弯曲从其底部开始并延伸到尖端。研究小组发现，当纤毛长度超过2到4微米时，周期性的跳动开始，这意味着纤毛需要一个临界长度才能击败。在之前的研究中，科学家们没有研究短于五或六微米的纤毛，Bottier说。Bayly说，另一项新的观察结果是周期性纤毛纤毛的拍频在纤毛长度的正常范围内非常一致，尽管它随着长度从4微米增加到12微米而略有下降。
Dutcher说，这项工作可能有助于理解导致纤毛短缺的人类突变以及短纤维将如何影响患者的结果。托马斯表示，该研究可以更好地了解纤毛的运作方式以及导致振荡的原因。“有很多不同的模型介绍了驱动这种弯曲模式的原因，因此这项研究有助于了解哪些模型更准确，哪些模型可能有不准确性，因此我们可以了解何时出现纤毛功能障碍，是什么原因造成的，因为可能引发一些关于如何对待它的谈话，“托马斯说。
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