最新的科學研究顯示，人體內平均有 37.2 兆個細胞。這個數字到底有多大呢？這麼說吧，整個銀河系的恆星數量可能「只有」約 1000 億顆。就算你有辦法把每個細胞單獨分離出來，大概也需要超過 100 萬年的時間才能把它們全數過一遍。但這個天文數字究竟是如何被計算出來的呢？
由義大利、希臘和西班牙共同組成的研究團隊，以系統性的方式估算出人體的細胞數。他們把不同類型的細胞分別計算，並盡量從研究論文中蒐集到最多的資訊，以估計人體各器官與系統的平均細胞量，最後再把數量加總，才得出 37.2 兆這個龐大的數字。
計算人體的細胞數看似沒什麼意義；但這其實對許多領域都有實際的應用價值。例如在建立人體電腦模型時，細胞數量越精確，準確性也就越高。另外，這也能幫助科學家找出病灶，並嘗試各種可能的療法。拿病人器官的細胞數量和正常人比較，也可能有助於醫師診斷病因。
本文摘自《How It Works 知識大圖解 國際中文版》第 28 期（2017 年 1 月號）
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本文轉載自顯微觀點
「我是細胞生物學的愛好者，我們實驗室團隊是細胞生物學的狗仔隊，專拍細胞不為人知的一面。」成大生醫工程系主任邱文泰，帶著笑容自我介紹。
邱文泰專精於活細胞分子造影、光遺傳學以及變化多端的細胞內信使：鈣離子對細胞生理機能的調控。他與團隊近年的重要研究之一，是以光遺傳學精密調控細胞內鈣離子濃度波動，觀察鈣離子如何影響細胞遷移（cell migration）。
20 世紀後半葉，生醫學界逐漸發現鈣離子是功能繁複的細胞訊息傳遞者，可調控授精、細胞增生與死亡、學習與分化，也參與細胞遷移、活化特定轉錄因子。
傳統生化科技如藥理、化學、物理方法，無法在時間、空間上精準調控與觀測活細胞內的鈣離子變化。細胞如何讀取鈣離子濃度波動（calcium oscillation）訊號，如頻率、幅度等，還是一個待解的謎題。
邱文泰團隊運用光遺傳學（Optogenetics）技術，將人為編輯過的光敏感鈣離子通道蛋白 CatCH（calcium translocating channelrhodopsin）基因轉染（transfect）進入人類骨肉瘤細胞（U2SO）。位在細胞膜的 CatCh 蛋白一旦吸收藍光，就會開啟鈣離子通道，讓胞內的鈣離子濃度快速提升。
光線停止照射，CatCh 就不再輸入鈣離子，細胞原本的平衡機制開始作用，將鈣離子排至胞外（或內質網中），造成細胞質的鈣離子濃度起伏。因此實驗團隊能精密調整骨肉瘤細胞的鈣離子波動，並結合螢光顯微術觀測細胞狀態。
他們以大量表現 Catch 的骨肉瘤細胞（U2OS-CatCh）作為鈣離子波動的主要實驗對象，以藍光照射細胞，調整細胞內鈣離子濃度波動的幅度、週期、頻率、時間等參數。
在模擬傷口癒合的實驗中，培養皿中間表面被留下一道未被細胞覆蓋的空地，兩側細胞會逐漸往中間遷移、會合，直到將空地填滿。此細胞遷移的過程與人體傷口癒合相似，也與癌細胞在人體擴散的機制有關。
細胞遷移需要細胞骨架與細胞內諸多蛋白質分子聯合運作，參與的分子間還會彼此調控、影響。不同的細胞內訊息分子（即第二信使，second messenger）分別調控不同的蛋白分子路徑。鈣離子在其中的角色眾說紛紜，科學界對詳細機制的認識猶如管中窺豹。
邱文泰團隊發現，對 U2SO-CatCh，0.01 赫茲的藍光照射可帶來顯著高於對照組的細胞遷移量。在 0.1 赫茲的光照下，細胞遷移量卻比沒有照光的對照組更低。
參與細胞遷移的重要轉錄因子 CREB, NFAT, NF‐κB 也由不同強度的鈣離子波動活化，NF‐κB 由較低的鈣離子濃度活化；NFAT 由較高的鈣離子濃度活化；而高或低的鈣離子濃度波動都可以活化 CREB。
他們的研究不僅印證鈣離子波動可調節癌細胞增生、遷移的理論，也發現鈣離子波動頻率、幅度並非愈高就愈有效。若以 10 赫茲的藍光照射 U2SO 培養皿一個小時，90% 的細胞會死亡，死亡率遠高於波動頻率較低的組別。
透過光遺傳學技術對細胞進行時間、頻率的精準刺激，邱文泰團隊發現鈣離子作為細胞第二信使，能攜帶的訊息比過往的想像更加龐大。也推進了鈣離子訊息的解碼技術，在癌症研究、轉錄因子活化機制研究上，都可能帶來幫助。
熱衷細胞生物學的邱文泰說，「要當細胞狗仔隊，就要有好的相機大砲，才拍得到細胞生活的秘密。」他認為，現代細胞生物學必須要以活細胞為研究材料，才能深入了解細胞生理機制。而拍攝細胞生理活動的顯微設備，是細胞生物學家依賴的重要工具。
邱文泰認為，現代的細胞與分子生物學不同過往，需要以影像證據說服科學家同儕。研究發表的依據不再是間接量化的座標點、折線圖、柱狀圖，他說「現在顯微影像是不可或缺的，甚至立體影像才是學術發表的標準。」
邱文泰分析，隨著類器官（organoid）、層光顯微術（light sheet）、生物組織澄清化（tissue permeabilization）等顯微技術逐漸成熟，精密顯微影像會在生醫研究領域被視為理所然的科學依據。
回想早期接觸的生物學技術，邱文泰笑說，「我那時的研究生都有一件實驗用『戰袍』，上面遍佈黑色斑點，是在暗房被顯影劑沾到的工作痕跡。現在的實驗都用數位影像，研究生恐怕連底片長什麼樣子都不知道。」
邱文泰回憶，數位顯微影像甫推出的時候，學術圈同儕普遍擔心著名期刊不接受新式的數位影像。「誰知道兩三年後，再也沒有人在暗房洗底片！接下來的細胞生物學家，實驗衣都很潔白。」
邱文泰說明，生物學研究會隨著技術演進，愈必要的技術，帶來的改變愈快。他舉例道「傳統的顯微影像以 2D 形式為主，對生物體的模擬有限。3D 影像將是未來生物學研究不可避免的趨勢。」
不僅植入螢光蛋白、使螢光蛋白遺傳、分子標定等技術成為細胞生物學研究的基本配備，科學家還需要精密的顯微設備才能拍好實驗成果。
邱文泰說，儀器的成本與操作的確會形成實驗門檻，因此成大醫學院營運生醫光學影像核心平台，聚集校內學者的貴重光學儀器，由專門經理、技術員負責保養、補充、操作事宜。每個實驗室的成員，甚至附近學校的師生、生技廠商都可以申請使用，僅需負擔相當低廉的費用。
平台內許多貴重儀器都是沈孟儒（成大藥理所特聘教授，現任成大校長）、邱文泰等學者主動提供，他們也樂意無償提供使用教學。擔任平台主持人的邱文泰說，共用貴重儀器可以提升學術圈的整體利益，不但儀器的價值得以充分發揮，研究者們也可以透過平台交流彼此的技術專長。
他舉例道，「最直接的方法，就是看誰最常登記使用特定儀器，就表示他很擅長那項技術，需要的時候可以直接請求合作。」若儀器都留在各自的實驗室裡，這種交流學習的機會無法出現。研究者也不容易嘗試不同儀器的功能，討論不同儀器的優劣長短。
邱文泰說，自己出身苗栗鄉間，選填大學志願時沒有明確志向，只想離家遠一點。他覺得自然與生物是成長過程中熟悉的一部分，就選填了大多數的生物學科系。就讀成大生物學系，是分發之下的偶然。
在成大生物學系，周遭同學紛紛進入實驗室做專題，邱文泰卻直到大三還沒建立學術志向。直到的必修課「細胞生物學」結束後，他對實驗的興趣才被點燃。那門課由甫從美國歸來的陳虹樺老師任教，教學與考試都相當嚴格緊湊。
邱文泰回憶當年的細胞生物學課說，「期中考和期末考要寫滿四個小時，而且幾乎全部是申論題。考前壓力很大。」但也因為如此嚴格的學習要求，他踏實地讀完課本上每一個字。通過期末考後，心中充滿成就感，決定加入細胞生理相關的實驗室進行專題研究。
求學階段多在成大吸收養分，現在也致力培育成大學生的邱文泰，認為對自己影響最深刻的，是湯銘哲（現任成大生理所特聘教授）和沈孟儒兩位學者的風範。
邱文泰說，「湯銘哲老師的心胸開闊，重視自由探索與獨立研究，可說是典型美式風格的學者。碩士班學生的題目要自己發想、設計方法，老師負責引導大方向。」而且湯銘哲對學術同儕非常慷慨大方，隔壁實驗室來借任何耗材與設備，或是需要技術協助，他總是樂意援助。
邱文泰笑說，正因為這種慷慨大方，湯銘哲實驗室的成員經常處於「幫助鄰人」的狀態。他回憶說，「當時覺得很忙碌，但成為實驗室主持人之後，發現自己已經被這種風格潛移默化了。」
邱文泰也以樂於分享、協助的風格領導實驗室。他說，「我的學生也經常幫助其他實驗室的同學，我希望他們在互助、分享的氣氛中成長，成為心胸開闊的人。」
自博士班第二年開始，邱文泰加入新成立的沈孟儒實驗室，接受共同指導。他說，「沈孟儒校長是日式風格的學者，對研究與學術寫作追求完美的高標準。他如果看你的論文草稿寫錯超過三個字，就會請你拿回去重寫。」
邱文泰讚賞說，沈孟儒對科學研究的嚴謹要求，是他的職業楷模。他打開會議室的鐵櫃，數十本厚實日誌整齊排列其中。他說「因為沈老師的指導，我直到今天持續寫著實驗日誌，確實記錄每一天的實驗內容。對學生，我也要求交出完整的實驗日誌，才能從我的實驗室畢業。」
嚴謹治學的風格，呈現在邱文泰的實驗室管理，他們的藥品、抗體集合收納且全體共用，每個人都使用相同規格的研究材料。不會出現各用一套藥品，劑量、藥效不同，實驗結果難以重複的狀況。
他說，「材料的品質控制與共享，對實驗成果的精準化和均一化就是一件好事，也是科學研究的必要。」
邱文泰嚴格要求實驗室各種藥品、器材的擺放秩序，收納之後要編寫目錄和標示，任何人都能一目了然。他打趣說，「小偷闖進我們實驗室，根本不需要翻箱倒櫃，他可以按圖索驥找到所有東西。」
這種嚴謹的管理風格深刻地影響邱文泰的學生。他舉例說，一位博士班畢業生回到廈門大學擔任實驗室經理，按照邱文泰一致化與秩序化的風格整理實驗室，不但讓同事感到驚喜，連周遭實驗室的經理也紛紛來學習這種實驗室管理。
融會了兩位迥然不同的成大傑出學者風範，邱文泰長年投入引導成大學生對知識產生興趣，潛移默化對物嚴謹、對人開闊的高尚人格。因此數次獲得輔導、教學方面的優良教師獎。
鮮為人知的是，他其實差點成為高中教師，遠離成大的學術環境。
回憶起職涯轉捩點，邱文泰說，「那是人生最困難的決定。我剛退伍就在台南女中得到正式教師職位。眼看有個穩定、待遇不差的職業選擇，卻又被邀請回去讀博士班。」
邱文泰的考慮相當務實：高中教師的薪資高於社會平均、有退休保障，上下班時間穩定還有寒暑假。而博士班學生薪資不如高中教師，更不容易保持生活與工作的平衡。
收入和閒暇時間考量之外，邱文泰更重視學生對知識的態度，他回憶說，「我喜歡對高中生分享最新科學消息，例如當年諾貝爾獎得主與研究內容。」學生們的反應卻是「這些會考嗎？」
高中生在升學制度訓練下，認為只有考試相關的科學知識才是重要的，而高中教師也必須精熟解題技巧。邱文泰坦承，「我體會到，自己並不想走上鑽研教科書上既定知識與解題技巧的職涯。對我來說，更想要的是親手研究、接觸未知。」
邱文泰說，「跟我同屆考上高中老師的同學已經準備退休，而我還在規劃新的研究計畫、主持與眾人研究息息相關的生醫影像核心平台，但是我覺得這樣很充實。」
主持儀器共享平台，減少科學社群的資本差距；傳授學生知識與潛移默化的人格教育，對邱文泰來說毫無義務感，而是讓生醫領域更加蓬勃明朗的充沛機會。
討論功能關閉中。
為了理解染色體異常細胞對鑲嵌型胚胎的影響，我們必須要創造出數百個小鼠胚胎，並研究數千個胚胎不同部位的細胞。這麼龐大的工作量需要有一位專職的科學家，也需要資金。
在匯整如何測試這個假設的思緒時，我在絨毛膜採樣檢查後又進行了另一個羊膜穿刺檢查，這個檢查一樣在超音波影像的引導下，將針插入包圍發育胎兒的羊膜囊中，以取得少量的透明羊水樣本來進行分析。保護胎兒的羊水會帶有胎兒細胞，可以用來確認是否具有染色體問題。這次的檢查結果是沒有問題的，我們都鬆了一口氣。不過，得要到我把孩子抱在手上那時，我才能百分之百地放心。
還有其他的好消息是，我有了資源可以進行了解我檢查結果的研究。我在發現懷孕那天所進行的面試，讓我獲得惠康基金會的資深研究補助金。這筆補助金原本打算用在另一個計畫上，不過他們給我足夠的自由度，可以直接挪用其中部分資金來為鑲嵌型胚胎建立模型。
我們有一大堆事情要做。首先，我們得要找到一種可信的方式（最好不只一種）來製造染色體異常的細胞。然後我們還要找到一種方式來標記這些細胞，好讓它們在正常細胞旁發育時，我們可以追蹤到它們。製造異常細胞比我們原先所想得更加困難。海倫測試許多種不同的方法來干擾染色體分離的過程，我們最後用到一種名為逆轉素（reversine）的藥物，這是我們實驗室中另一個研究計畫使用過的藥物。
逆轉素是種小分子抑制劑。我們想要使用逆轉素來抑制染色體分離中的一個關鍵過程。那是一個分子檢查點，在正常情況下會暫停細胞分裂（有絲分裂），直到有正確數目的染色體（帶有 DNA）被拉開，並分離到兩個不同的子細胞間為止。逆轉素會阻斷名為單極紡錘體蛋白激酶（monopolar spindle 1 kinase）的酵素，而這種酵素會在細胞分裂時確保染色體公平分配。
為了確認逆轉素確實會造成染色體異常，我們經由標記隨機選出的三個染色體來分析有用藥及無用藥的胚胎。我們所使用的標記方法名為螢光原位雜合技術（fluorescence in situ hybridization, FISH），這種技術會外加一個探針（短 DNA 序列）及一個螢光標記。當探針在樣本中碰到類似的 DNA 片段時，就會在螢光顯微鏡下發光。經由螢光原位雜合技術的追蹤，確認了海倫使用逆轉素後，確實會增加染色體異常胚胎的數量。
逆轉素的效用是暫時性的，海倫一把藥劑洗掉，檢查點就恢復正常功能。這很重要，因為這表示我們可以將胚胎染色體異常的發生限制在特定的發育期間內。
確信可以製造出染色體異常的胚胎後，我們需要確定這些施用過逆轉素的胚胎是否會完全發育。海倫對四細胞胚胎施用逆轉素，並觀察到在發育 4 天後，它們的細胞數量比未施藥的胚胎要來得少。不過雖然細胞數量較少，還是可以形成三組基本的細胞世系。
為了找出施用內逆轉素的胚胎是否可以長成小鼠，我們將這些胚胎植入母體中。這個時間點是在我們創造出體外培養胚胎的技術之前。每 10 個正常胚胎有 7 個會著床，而這個比例在施藥後的胚胎上則降了一半。最重要的是，施用逆轉素的胚胎沒有一個能夠成長為活生生的老鼠。這個實驗顯示，當胚胎中大多數的細胞都出現染色體異常時，它們的發育最終會以失敗收場，即使它們著床了、也發育了一陣子。
現在我們可以進一步來探討那個重要的問題：若是只有部分胚胎細胞帶有染色體異常，發育又會受到何種程度的影響？為了找出答案，我們必須製造出鑲嵌型胚胎，也就是混合了染色體異常細胞與染色體正常細胞的胚胎。因此我們決定經由製造嵌合體來達到這個目的。
因為我們無法在對同個胚胎施用逆轉素時只讓其中一些細胞出現染色體異常，所以無法經由這個方式製造出鑲嵌型胚胎，因此我們想到了運用嵌合體的作法，將來自不同胚胎的細胞結合建構成嵌合體（鑲嵌型胚胎是由單顆受精卵生長發育而成的）。創造嵌合體而非鑲嵌型胚胎的好處是，我們可以系統性地去研究要具有多少異常細胞才會干擾到發育。很幸運地，這個作法成功了。
海倫在小鼠胚胎從兩細胞階段分裂到四細胞階段時，經由口吸管的方式施用逆轉素，並在八細胞階段將細胞一個個地分開。然後她將來自正常胚胎的四個細胞與來自施藥胚胎的四個細胞結合創造出八細胞嵌合體胚胎。
我們要追蹤細胞的命運就需要標記。我朋友凱特．哈迪安東納基斯（Kat Hadjantonakis）與金妮．帕帕約安努在紐約對小鼠進行基因改良，讓牠們的細胞核具有綠色螢光蛋白，所以我們就採用了具有這種特性的小鼠。我們將這類小鼠胚胎施予逆轉素，施過藥的細胞會與未施過藥的細胞有不同的顏色，這樣我們就可以做出區別。具有綠色螢光蛋白的細胞讓我們可以明確看到新細胞是在何時與何處誕生以及新細胞的後續分裂，還有，若是細胞死亡了，我們也可以看到是在何時與何處死亡的。我們可用此種方式為個別細胞建立「譜系圖」。
我們為這些鑲嵌型胚胎拍攝了影片，以精準追蹤每個細胞的命運。海倫在螢幕上看見，異常細胞數量的下降主要發生在產生新個體組織的那一部分胚胎，也就是上胚層。這些異常細胞會在凋亡的過程中死去，也就是經歷程序性的細胞死亡。在注定成為胚胎本體的那一部分胚胎中，施用過逆轉素的細胞經歷凋亡的頻率是未施藥細胞的兩倍以上。
這個結果表示，在注定成為胎兒的那一部分胚胎中，異常細胞有被清除的傾向。這支持了我的假設，也就是在這一部分的胚胎中，異常細胞競爭不過正常細胞，不過實際運用的機制跟我原來所想的不一樣。
我簡直不敢相信。這是我們真的會研究出重要成果的第一個徵兆，發育中的胚胎不僅可以自我建構，也同樣可以自我修復。幾年前當我懷著賽門那時，絨毛膜採樣檢查所檢測到的染色體異常細胞的後代，有沒有可能在成長為賽門的那部分胚胎中自我毀滅了呢？
——本文摘自《生命之舞》，2023 年 9 月，商周出版，未經同意請勿轉載。
本文轉載自諾貝爾化學獎專題系列，原文為《【2003 諾貝爾化學獎】細胞膜的分子通道》
譯者前言：今年的諾貝爾化學獎頒給了兩位醫生，或許有些奇怪，然而仔細的去瞭解他們所做的工作就會發現，其實他們的研究已經深入到了原子的層次，那不是化學又會是什麼呢！這其實也告訴了眾多對生命科學有興趣的年輕人，其實真正精采的還是在這個化學的層次。考慮加入我們吧。
所有的生命體都是由細胞所構成，一個人身上所擁有的細胞數目就好像銀河中的星星一般，約有上千億個，在每一個人身上，例如肌肉，腎臟與神經等不同的細胞，聯合的運作而形成一個精密的系統。透過他們有關細胞中水與離子通道的開創性發現，今年的化學諾貝爾獎得主， Peter Agre 與 Roderick MacKinnon，在增進瞭解細胞如何運作的基礎化學知識方面，有重要的貢獻。他們讓大家看到一個精采的分子機器家族：通道、閘門與活栓，這些元件是細胞功能所必須的。
為了維持細胞內外壓力的平衡，讓水能通過細胞膜是非常重要的，這是早為大家所熟知的。然而這種通道的形狀與功能，卻成為生物化學中一個典型的久未解開的問題，一直等到約 1990 年 Peter Agre 發現了第一個水的通道，就如同細胞中許多其它功能所需一般，都是由於一個蛋白質。
水分子並非唯一能進出細胞的分子，為了讓成千上萬的細胞成功的運作而非聚集在一起的肉塊而已，協調是很重要的，因此細胞之間必須溝通，而細胞之間的訊號傳遞則是靠著離子或是一些小分子，由此導致一系列的化學反應，造成我們的肌肉緊繃，眼睛濕潤 ─ 實際上包括了整個身體的運作。在我們腦部的訊號亦與這些化學反應有關。當我們弄斷了一個腳趾時，一個訊號就會上傳至腦部，透過一連串的神經細胞以及化學訊號及離子的流動，訊息就好像接力賽的棒子般在細胞間傳遞。
在 1998 年 Roderick MacKinnon 第一次成功的展示了離子通道在原子的層次到底長的是什麼樣子 ─ 這個成就加上 Agre 的水通道之發現，打開了生化與生物學中一個嶄新的研究領域。
Agre 與 MacKinnon 的發現在醫學上的貢獻也是很重要的，有一些疾病的成因就是因為水與離子的通道不能流暢的運作有關。隨著逐漸的瞭解這些通道的長相以及它們如何運作，我們就有機會發展更新更有效率的藥物。
早在 19 世紀中葉，人們就知道細胞一定有一個管道讓水與鹽類流通。在 1950 年代中期，發現有一個只能讓水分子迅速進出細胞的通道存在，在這之後的三十年間，透過詳細的研究，結論是一定有某種選擇性的過濾裝置能阻斷離子通過細胞膜，但卻能讓中性的水分子自由通過，而且每秒鐘有成千上萬的水分子通過一個單一的通道！
雖然知道這些，但一直等到 1992 年都尚無人能指出這個分子機器到底長相如何；換言之，就是能找到一個或多個蛋白質所構成的真正通道。在 1980 年代中期，Peter Agre 研究紅血球細胞上的各種細胞膜蛋白質（插在細胞膜上），他也在腎臟中發現一個同類型的蛋白質，在解開了這個蛋白質的序列以及相對應的 DNA 序列之後，他體認到這一定就是在他之前的眾多學者所搜尋的那個蛋白質：細胞的水通道。
Agre 利用一個簡單的實驗（圖 1）來測試他的假設，在此實驗中，他比較含有此膜蛋白與不含此膜蛋白的細胞，當這些細胞放入水中時，那些含有此膜蛋白的細胞因為滲透壓之故會吸收水分而漲大，而那些沒有此膜蛋白者則聞風不動。Agre 又利用一種稱為 liposome 的人造細胞來測試，那是一種內外都是水的一種肥皂泡泡，他發現當此肥皂泡的膜上植有此膜蛋白時，水就可以自由進出。
由於 Agre 知道汞離子會阻礙細胞吸收及釋放水，因此他也證明了這個他所發現能控制水進出細胞的蛋白質，也會因為汞離子的存在而無法讓水通過。這使得他更確定這個蛋白質就是真正的水通道，他命其名為 aquaporin，即＂水洞＂之意。
在 2000 年，透過與其他研究團隊的合作，Agre 發表了一個 aquaporin 的高解析度 3D 圖像，藉這這些數據，就能按圖索驥，仔細的描繪出一個水通道是如何運作的（圖 2）。為何它只讓水通過而不讓其它的分子或離子放行？例如細胞膜是不允許質子（H+）滲漏的，這點非常重要，因為細胞就是靠著內外質子濃度的差異來維持細胞能量儲存的系統。
選擇性是這個通道的主要性質，水分子必須順著由構成通道壁的原子所形成的電場方向，鑽過一個狹窄的通道，質子（或應稱之為 oxonium 離子，H3O+）將會在中途因為其所帶的正電荷而被驅逐。
在過去十年裡，水通道已發展成為一個不斷被討論的研究領域。大家發現 aquaporin 是屬於一個蛋白質大家族的成員，它們存在於細菌與動植物中；僅在人體就發現至少有七種不同的變體。
這些蛋白質在細菌與動植物中的功能正被勘測中，特別集中在企圖瞭解它們在生理上扮演的角色。在人體的各組織中，水通道在腎臟扮演了重要的角色。
腎臟是一個人體用來排除廢棄物的精巧裝置，在它做為篩子用的線圈中（稱為絲球體），水、離子與其它的小分子與血液分離成為所謂的初尿，在 24 小時中，約生成 170公升的初尿，其中大部分透過一系列靈巧的機制被重新吸收，最終每日產生約 1 公升的尿排出體外。
初尿通過絲球體後繼續通過一個彎管，在其中約 70% 的水通過 aquaporin AQP1 而被重新吸收回血液中，在此管的末端，另外 10% 的水通過另一個類似的 aquaporin AQP2 而被吸收。除此之外，鈉、鉀與氯離子亦被吸收回血液中。抑制尿分泌荷爾蒙（vasopressin）的功能，是促進 AQP2 傳送到腎管壁的細胞膜，因此增加了初尿中水的回收，如果一個人缺乏這種荷爾蒙，將會得到一種稱為 diabetes insipidus 的疾病，每天產生10-15 公升的尿。
第一個物理化學家奧斯華（Wilhelm Ostwald , 1909 年諾貝爾化學獎）在 1890 年就認為在活體組織中所量到的電流訊號，應該是來自於離子透過細胞的進出，這個電化學的想法很快的廣為接受。到了 1920 年代，又興起了一種看法，認為有某種狹窄的離子通道存在，有兩位英國的學者 Alan Hodgkin 與 Andrew Huxley 在 1950 年代初期得到了一項重大的突破，因此得到了 1963 年的諾貝爾醫學獎，他們的研究顯示，透過神經細胞膜的離子傳輸，所產生的訊號可透過一個個神經細胞，以接力賽的方式傳遞，這些反應裡面最主要的角色就是鈉離子（Na+）與鉀離子（K+）。
這也就是說，早在 50 年前就已經充分瞭解了離子通道的主要功能，這些通道必須選擇性的只讓一種離子通過，同樣的這些通道也必須有能力打開、關閉或只讓離子往一個方向流動。然而這個分子機器到底真正是如何運作的，卻長久以來一直是個謎團。
在 1970 年代的研究就已顯示，離子通道只能讓某些離子通過，是因為它裝有某種＂離子過濾器＂。特別有趣的是，雖然鈉離子比鉀離子要小，卻發現有一種通道只能讓鉀離子通過，卻不會讓鈉離子通過。猜測這可能是由於蛋白質中的氧原子們扮演了一個重要的＂取代角色＂，取代了原先溶於水中的鉀離子周圍所包的水分子層，當鉀離子要進入通道中，必須先脫離這個水層的包圍。
但是進一部要證實這個猜測卻很困難，因為真正需要做的是需取得只有 X-射線晶體繞射才能得到的清楚圖像，問題是運用這種方式去解膜蛋白的結構是非常困難的，當然要去解鉀離子通道的結構也不會例外。動植物的膜蛋白比細菌中者要更複雜而更難研究，但是藉著與人類離子通道非常類似的細菌通道蛋白質之研究，或許能提供進一步的瞭解。
許多研究人員在這個方面的努力均無功而返，可是卻在另一個方向的研究中意外的得到了突破。 Roderick MacKinnon 在修完生化的學位後，轉入了醫學的領域，成為一個合格的醫師。在成為醫師之後若干年，他開始對離子通道產生極高的興趣，並開始了這方面的研究。他自承＂我的研究生涯從 30 歲才開始＂，不過他的研究卻快速的起飛。由於體認到要瞭解離子通道如何運作，必須要有更好而且更高解析度的結構圖像，他決定從最基本的 X-射線結晶學開始學起，在短短的數年之後，他提出了一個清楚的離子通道圖像而震撼了整個學界，這個重要的事件正是發生在 1998 年的一個四月天。
在 1998 年 MacKinnon 所決定的第一個高解析度的離子通道結構稱為 KcsA，乃是由一個稱為 Streptomyces liridans 的菌株得到的。 MacKinnon 第一次展示了在原子的層次，一個離子通道是如何運作的，那個只允許鉀離子通過而拒絕鈉離子的離子過濾器，現在可以仔細的去研究，他不僅能弄清楚離子如何通過這個通道，其實在其晶體結構中甚至於可看到正在通道前被水包圍著的離子，在過濾器之中的離子，以及離開過濾器的離子，水是如何的來迎接它們（圖 3）。 MacKinnon 也能解釋為何是鉀離子而非鈉離子被允許通過此過濾器，說穿了，這主要是由於鉀離子在過濾器中，周圍所圍繞的氧原子之位置，與在外面被水分子包圍著時，水分子的氧原子之位置是相同的，但是對較小的鈉離子而言，它在過濾器中與氧原子的相對位置，就無法與在水中時一樣（圖 4），因此就較喜歡留在水中（因為有較佳的水合能）。這種能讓鉀離子脫離水層，通過通道而且不損失能量的做法，屬於一種所謂選擇性催化的離子傳輸。
細胞也需要能控制通道的開啟與關閉， MacKinnon 也說明了這是藉著一個通道下方的閘門，這個閘門可開啟或關閉一個分子＂感知器＂，這個感知器就在門的附近。不同的感知器會回應於不同的訊號，例如，鈣離子濃度的增加，或一個細胞膜兩邊的電壓差異，或與某種訊息分子的螫合，藉著不同的感知器與離子通道的連接，大自然創造了能回應於眾多不同訊號的各種通道。
膜上的通道是所有生命體的基本要件，由於此，增加對它們的認識就成為瞭解許多疾病狀態的重要基礎。各種不同的脫水現象，以及對熱的敏感度，就與 aquaporin 的效率有關；例如最近幾年歐洲的熱浪，導致了許多的死亡，這些死亡，有部分是歸諸於無法保持體液的平衡，在這些過程中 aquaporin 是非常重要的。
離子通道的功能一但受到干擾，就會導致神經系統方面的疾病，以及肌肉，例如心肌，方面的問題，這使得離子通道成為一個製藥界開發新藥的重要目標。
這份文章是譯自諾貝爾獎委員會公佈給大眾的閱讀資料：
http://www.nobel.se/chemistry/laureates/2003/public.html
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http://www.nobel.se/chemistry/laureates/2003/public.html
