新浪博客
Kristina Armitage/Quanta Magazine
ByNatalie Wolchover
Columnist
April 20, 2026
你是最早知道的生命形式。就在现在周围没有任何食物。走到另外某处是伟大的，但你被陷住，真的被陷住。以你的微小的尺寸（几微米），水对你像沥青一样或相当的感觉样子是对一个人类被困在沥青中将最终的感觉的一样。你要做什么？
[数十亿年后。] 你已经发现了完美的解决方案。
字面上完美的。
哈佛大学生物物理学家阿拉文坦·塞缪尔（Aravinthan Samuel）说，“你能假设该系统正在最佳的工作着”。
进化已经创造了鞭毛马达，一种使单细胞细菌能够朝向食物源移动的推进器/“大脑”的结合。这是一种每秒可旋转数百转的电动机（比一个赛车引擎的飞轮更快）来涡旋一个尾巴一样的鞭毛推动着细胞走着。当鞭毛马达逆时针旋转时它推动细胞在一秒内穿过水10倍多它自己的长度；马达也能顺时针旋转，造成细胞随机的翻滚。这个令人惊叹的自组装、信号处理、方向切换分子机器是如此强大的又如此空闲的以致数十亿年后它仍被地球上几乎每一个肠道和水洼中的细菌用。
在哲学中，“感质（qualia）”指我们的体验的主观质：就像对爱丽丝来看蓝色的或对鲍勃感到愉悦的一样的是什么。正如已故哲学家丹尼尔·丹尼特所言，感质是“事物似乎对我们的样子”。在这些文章中，我们的专栏作家追随他们的好奇心，探索重要但未必的可回答的科学问题。
自20世纪70年代细菌鞭毛马达发现以来，生物学家和创世论者已经都一样惊叹了它的像敬畏凝视由他们的罗马祖先建造的万神殿穹顶一样中世纪建筑的设计。很难来深探数十亿年细菌进化可取得的的工程的水平，尤其是与细胞世代之间仅20分钟，这允许突变和试错的一个真的天文数字。创世论者坚持细菌鞭毛马达为一个智能设计的典型例证——特别的这个“不可回归的复杂性”的概念：他们说一个生物系统如此精妙复杂以致不可能已经通过达尔文进化论的逐渐的、逐步过程阶段发生。
然而它做了很多的。
过去几十年间，科学家们已经长期艰辛工作来揭示鞭毛马达如何工作——即它如何旋转和切换方向。
现在他们最终有了。自2020年以来，一波的研究已经破解了鞭毛马达的零件的分子结构，包括最重要的转动更大鞭毛基部齿轮的小齿轮。这个动态谜题的最终拼图最近的到2026年3月落入了位。
难来深探被十亿年的细菌进化取得的工程的水平
自20世纪70年代起开始研究鞭毛马达的德克萨斯A&M大学生物物理学荣誉退休教授迈克·曼森（Mike Manson）说，“我的毕生乞求现在被完成，我最后理解了这个我一直研究50年的东西如何实际的工作。这约是能是的满足的” 。
鞭毛马达的工作原理真的是精妙绝伦的。但当我开始采访这些科学家关于他们已经弄清楚的时我未曾料到对像我一样追求机械性、物理的解释的某些人这一马达的解释将阐明整个生物学。我了解到这台机器利用一种我此前未知（尽管生物物理学家已知）的驱动力——在细胞内动力过程的物理“生命力”。这种“质子动力的力”不仅旋转着鞭毛马达的齿轮；它是我们所有人都跑在上的汁子。
鞭毛马达被已故霍华德·伯格发现。一位在哈佛大学度过他的职业生涯大部分时间的天才的实验家。20世纪70年代初伯格开始来应用他的在物理学中的训练来理解细菌如何移动。问题是这在显微镜下大肠杆菌、沙门氏菌和其他可动的细菌几乎立即的游出了帧。因此伯格发明并制造了一台自动追踪显微镜，能够保持一个细菌随它移动着在视野中。1975年作为博士后加入伯格项目的曼森说，“该设备记录的是所有不得不被为保持细菌在位对显微镜载物台做出的所有校正，当然给你一个游动细菌的运动途径的读出”。
该数据揭示了细菌 “奔跑与翻滚”——即它们在直线游动和混乱翻滚着之间来回切换。伯格理论化了细菌基于随它们游动感知到的化学梯度改变它们的游动状态。它们的默认行为是来直线游动：如果糖类及其他营养物质的浓度正在增加细胞保持向前走；如果浓度下降，细胞翻滚在一个新定向中重新定向，随后重新开始直线游动。这一过程保持细菌在可收获的分子附近中，它通过在它的细胞壁中和细胞膜上的通道吸收这些分子。
一个透射电子显微镜图像揭示一个假单胞荧光菌（Pseudomonas fluorescens）往往在土壤中围绕水移动的鞭毛簇。Dr Tony Brain/Science Photo Library
伯格猜测鞭毛马达是一种像一个螺丝一样旋转着鞭毛的转子。曼森说：“他通过被它们的鞭毛粘在一起的两个细胞做了它，并看到它们以相反方向从彼此旋转，从这个没有知识他假设了细菌鞭毛旋转着——远超他的时代，这是在理解该马达如何工作之前50年” 。
进一步实验表明鞭毛马达也改变旋转方向。当它的细菌典型的有几个从它们的表面伸出的鞭毛都正在逆时针旋转时，它们在游动细胞之后形成像一个辫子一样在风中飘动的束，掌舵它直线。但一旦某个鞭毛马达逆方向并开始顺时针旋转，这个束解体；逆涡旋的丝会破坏辫子并以交叉目的推动细胞的鞭毛马达，踢细胞转着。
在伯格的工作之前，伯格的前学生塞缪尔说道；“一个分子马达的想法是荒谬的——没有任何东西旋转着” ，他现在在哈佛大学运行着他自己的实验室。确实它可以摆动着但旋转吗？“这需要一个特定的几何结构，人们不认为对生物学是可获得的” 。
恰恰相反。塞缪尔说道，“生物学能够制造轮子，现在我们知道” 。
过去15年间，在一种叫冷冻电镜（cryo-EM低温电子显微镜）的成像技术中的改进已经使研究人员能够来看鞭毛马达的各个组成零件。这阐明了它如何工作。
在马达基部是“C环”（或 “胞质环”），一个在细胞膜内在细胞质中悬浮的34个相同的蛋白质的环。20世纪80至90年代，科学家们弄清楚了当C环旋转时鞭毛也旋转。但为什么和它如何旋转是不明显的。
David S. Goodsell/PDB101.rcsb.ord/Modified by
戏的明星们最新研究表明了是马达的“定子”，更小的C环上方及外部锚定它们在细胞壁（即内膜）的蛋白质复合体。定子的数量因细菌种类变化（大肠杆菌每个鞭毛有10至12个可利用的），在一个给定时间多少被锁进C环取决于细胞的重量或周围液体的粘度。
每个定子由两个从细胞壁延伸的中央蛋白质以及五种不同类型的蛋白质组成，形成一个围绕该中心对的五边形环。该五边形结构是摩擦起C环的部分。
定子的5:2几何结构于2020年在两项冷冻电镜研究中揭示：一项由苏珊·李（Susan Lea）和牛津大学的一个团队，另一项来自哥本哈根大学尼古拉斯·泰勒（Nicholas Taylor）的研究团队和柏林洪堡大学马克·埃尔哈特（Marc Erhardt）团队。这一发现指向关于整个马达如何工作原理的假设：定子的五边形环旋转，这然后旋转着更大的C环，以它整个鞭毛。
每个五边形环都像一个旋转闸门一样转着，一圈每次十分之一。推过这些旋转闸门的是一个质子流——在原子中发现的带正电荷的粒子。质子自发地流入它们自己的细胞，原因我将得到。这是质子运动的力。
在一个五边形环内两种蛋白质的不对称位置允许来自细胞外的质子微弱的结合到它们中的一个。随蛋白质相互碰撞质子会解结合，随它走着在环上施加扭矩。这创造一个对其他的中心蛋白质发生同一过程的机会。以这种方式，质子有效的踩踏鞭毛马达的引擎。每秒超过2000个质子穿过这个五边形旋转闸门。2025年12月，塞缪尔发表了一项实验结果，证实了这个。
质子始终要流入细胞永远不出来。在经过这一途径中，它们总是推动五边形环顺时针方向。通常的，这旋转C环逆时针（就像相互啮合齿轮的反向转动一样），这推动游动细胞向前。不过，鞭毛马达如何切换方向呢？2024年，另一对来自李（Lea，当时与美国国立卫生研究院的研究团队）与范德比尔特大学艾薇尔森（Tina Iverson）团队的冷冻电镜研究揭示了这个答案。
回顾当环境条件似乎变糟糕时一个鞭毛马达改变方向造成细菌来翻滚。当更少的营养流动进来时细菌的叫CheY的“磷酸化”蛋白质用磷原子标记它们。在毫秒内，磷酸化CheY分子围绕细胞扩散，其中一个分子结合到C环蛋白之一。这一小变化触发一个转变：该蛋白转变为一个不同的结构的构造，这翻转下一个蛋白，然后下一个。几乎瞬间的整个C环重新形成它自己，就像一个发夹突然折断成它的两种稳定形式中的另一种一样。塞缪尔团队在2026年3月发表的一项研究中证实了该系统对一个单一信号分子是敏感的。
在C环处在它的改变的形状同时，定子——小型顺时针旋转的马达——相对C环的内缘旋转着。因此，C环也顺时针转动着。鞭毛束解体，细胞翻滚。
足够很快不稳定的磷原子从CheY蛋白脱离，造成C环的蛋白翻转回到它们的原有的稳定形成并再次逆时针旋转。细菌回到向前运动，在一个是寻找更多食物的新方向中。
现就职于圣裘德儿童研究医院的李说道，“这真的是一种优雅的方法，将一个单向动力转化为大物体的双向旋转