1700000367
1700000368
图7 脂质膜的结构
1700000369
1700000370
图中为辛格和尼科尔森（Singer and Nicholson）于1972年提出的脂质膜流体镶嵌模型的原始版本。蛋白质在脂质的海洋中沉浮，有一些被部分掩埋，另一些则贯穿整个膜。脂质分子本身由亲水性的头部（一般是甘油磷酸）和疏水性的尾巴（在细菌和真核生物中一般是脂肪酸）组成。脂质膜会自组织成为脂双层构造，亲水性的头部向外，与细胞质中的水分和外部环境互动；疏水性的尾巴指向膜内，与内部物质互动。这种结构是一个低能量的、物理上“舒服”的状态。尽管看起来很有序，形成脂双层的过程实际上会向环境释放热量，增加总体熵。
1700000371
1700000372
磨碎孢子而总体的熵几乎没变，是因为虽然磨碎的孢子自身更加无序，但它的各个部分现在处于更高能的状态——油和水混在一起，不混溶的蛋白质分子互相挤到一起。形成这种物理上的“不舒服”状态，需要付出能量代价。形成“舒服”的状态则会以放热的形式向环境释放能量；“不舒服”的状态正好相反，必须从环境中吸收能量，使环境变冷，降低环境的熵。恐怖小说作家对此有直觉式的领悟：幽灵、鬼魂和摄魂怪④一出现，周围环境就会变得寒冷，甚至冻结。这些东西吸收周围的能量来维持它们不自然的存在。
1700000373
1700000374
在孢子的例子中，如果把它所涉及的各种熵都纳入考虑，那么系统的总体熵几乎没变。从分子层面看，聚合物的结构使本身的能量最小化，以热量的形式向环境释放能量，并增加环境的熵。蛋白质分子通常会自然折叠成能量最低的形状。它们的疏水部分深埋在内部，远离蛋白质表面接触的水。正负电荷异性相吸，同性相斥，所以蛋白质带正电荷和负电荷的部分会互相固定位置，彼此平衡，使蛋白质的三维结构维持稳定。因此，蛋白质总是自发折叠成特定的形状，虽然这不总是好事。蛋白侵染子（prion，或称朊病毒）就是完全正常的蛋白质，自发重新折叠成半晶态结构，然后充当附近其他蛋白质重新折叠的模板⑤。总体熵几乎不变。一种蛋白质可能有几种稳定状态，只有其中一种对细胞有用，但不同状态的熵基本没有区别。可能最令人惊讶的是，一群无序的单个氨基酸（蛋白质的组成构件）组成的“浓汤”，与它们构成的完美折叠的蛋白质相比，总体熵也没有什么区别。如果蛋白质解折叠，回到氨基酸汤的状态，它自身的熵当然增加。但这样做会让那些原本掩盖的疏水氨基酸接触到水，而形成这种不自然的状态需要从外界吸入能量，降低环境的熵，让环境变冷，即所谓的“鬼魂效应”。把生命看作一种“低熵状态”，认为它比对应的有机物“浓汤”更加有序，这种观念并不完全准确。生命的组织和有序是以环境更加无序为代价的，而且后者付出的代价更高。
1700000375
1700000376
那么，薛定谔说过生命从环境“吸入负熵”（也就是生命以某种方式从环境中摄入秩序），这又是什么意思呢？关键在于，虽然氨基酸浓汤和对应形成的蛋白质，这两种状态的熵可能相同，但是蛋白质在两种意义上处于更不自然的状态，所以会消耗能量。
1700000377
1700000378
首先，氨基酸汤不会自发地串起来组成一条肽链。蛋白质就是由氨基酸组成的肽链（准确地说，肽链折叠成形之后，才算是蛋白质的形态），而氨基酸本身并没有自发互相反应的倾向。细胞首先需要活化氨基酸，它们才能进行反应，形成肽链。反应过程释放的能量，大致与活化消耗的能量差不多，所以总体熵基本保持不变。蛋白质折叠释放的能量以热量形式流失，增加了周围环境的熵。所以，在氨基酸浓汤和蛋白质这两个稳定状态之间，存在一道能量障壁。这意味着不但形成蛋白质需要克服它，降解蛋白质也需要克服这道障壁，需要注入一些能量（还要有降解酶存在）才能把蛋白质拆散成各个组件。有机分子互相反应并形成大型结构（不管是蛋白质，DNA还是生物膜）的倾向，并不比岩浆冷却时形成大型晶体的倾向更神秘。只要有足够多的活化组件，形成这些大型结构才是最稳定的状态。真正的问题是，这些活化组件是从哪里来的？
1700000379
1700000380
这就带来了第二个问题：充满氨基酸的“有机汤”，且不论是不是活化的，在今天的环境中并不是一种自然存在。就算真有，最终也会与大气中的氧气反应，生成多种更简单的气体：二氧化碳、氮气、硫氧化物和水蒸气。也就是说，形成这些氨基酸首先就需要能量，降解它们则会放出能量。这就是为什么我们可以忍受一段时间饥饿，因为这时候我们会降解肌肉中的蛋白质来维持能量供应，而且真正放能的不是降解蛋白质的过程，而是产生自进一步分解组成它的氨基酸。所以，种子、孢子和病毒在今天的富氧环境中并不会完全稳定。组成它们的物质会缓慢地与氧气反应（即氧化），最终，它们的结构和功能会遭到侵蚀，即使外部条件变得适宜也无法再活过来。种子放久了是会死的。但是如果改变大气成分，比如去除氧气，它们就真的可以无限稳定了。⑥在如今这个世界上，因为生物体与全球的富氧生态环境“失衡”，它们总是会氧化，除非主动采取措施来阻止氧化过程的发生（下一章我们会看到，演化史上并不一直都是这样）。
1700000381
1700000382
因此，在通常条件下（即有氧状态下），从简单分子（例如二氧化碳和氢）开始生成氨基酸和其他生物体组件（例如核苷酸），这个过程总是会消耗能量。把它们组成长链或聚合物（蛋白质，DNA）也会消耗能量，尽管熵基本不变。这就是生命的基本活动：制造新的有机小分子，把它们组织起来，生长，繁殖。生长还意味着主动运输物质进出细胞。所有这些活动都需要持续的能量流入，薛定谔称其为“自由能”。他提出了把熵、热和自由能联系在一起的方程式，简单又经典：
1700000383
1700000384
ΔG = ΔH – TΔS.
1700000385
1700000386
这个方程式是什么意思呢？希腊字母Δ（delta）代表变化。ΔG即“吉布斯自由能”，以19世纪美国伟大的隐士物理学家吉布斯命名。这是可以做机械功的“自由”能量，比如驱动肌肉收缩，或任何细胞内的活动。ΔH代表热量的变化，热量被释放到周围环境中，使其加热并增加熵。在一个放热反应中，系统本身必然冷却，因为现在系统中的能量比反应前少。所以，如果热量从反应系统释放到环境中，ΔH作为反应系统的量度会是负值。T代表温度，它的影响取决于环境。如果一定的热量释放到较冷的环境中，对环境影响比较大；同样的热量释放到较热的环境中，影响较小。ΔS是系统熵的变化。如果系统的熵减少、变得更加有序，ΔS是负值；反之为正值，意味着系统变得更加混乱。
1700000387
1700000388
总的来说，对于任何自发的反应，自由能变化ΔG必须是负值。构成生命的所有反应，其总体效果也必须如此。也就是说，只有当ΔG为负值时，反应才能自发进行。要达到这个效果，要么系统的熵必须增加（系统变得更加混乱），要么系统必须以放热的形式失去能量，或者二者同时发生。这意味着当系统释放很多热量到环境中时，ΔH是很大的负值，这时局部的熵可以增加，系统可以变得更加有序。要点在于：如果要驱动生长和繁殖（这就是活着的表现！），就必须有某种反应持续向环境释放热量，让外界更加无序。想想宇宙中的恒星：为了维持自身有序的存在，它们向宇宙倾泻着天文数字的能量。我们则通过不间断的呼吸作用（利用氧气燃烧食物）向环境释放热量，以维持自身的持续生存。这些流失的热量绝非浪费，而是维持生命的必需。失去的热量越多，生命就越可能变得更复杂。⑦
1700000389
1700000390
细胞中所有的反应都是自发的，有了合适的起始条件就会自动发生，ΔG永远都是负值。从能量角度看，反应一直都是下坡方向。但这也意味着反应的起始条件必须非常高。要制造一个蛋白质，起始条件必须是在一个小空间里聚集了足够的活化氨基酸。这相当难达成。氨基酸在连接起来并折叠成蛋白质的过程中会释放能量，增加环境的熵。只要有足够、适当活化的前驱物，活化氨基酸其实也能自发生成。同理，这些前驱物在一个高度反应性的环境中也会自动合成。所以追根溯源，生长的动力其实来自环境的反应性，这股力量源源不绝地流过活细胞；对我们来说是以食物和氧气的形式，对植物来说是以光子的形式。活细胞利用这股持续的能量流生长，克服自身趋于分解的倾向。它们能做到这一点，依靠的是精巧的结构，而这些结构部分由基因决定。无论这些结构具体是什么（我们之后会讨论），它们本身都是生长与繁殖的产物，是选择与演化的结果；如果没有持续的能量流，它们就不可能存在。
1700000391
1700000392
生物能量奇特的狭窄范围
1700000393
1700000394
生物需要非常多的能量来维持生存。所有活细胞使用的能量“货币”，是一种名为三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，常缩写为ATP）的分子。ATP的工作方式就像投硬币玩角子机。硬币可以启动角子机一次，但很快就会停止。ATP对应的“机器”通常是一个蛋白质，作用就像把机器的开关从上扳到下；而蛋白质“机器”相应从一种稳定状态改变到另一种状态。如果要变回去，需要另一个ATP，好比你要在角子机上再玩一局，就要再次投币。可以把细胞想象成一个巨大的游乐场，充满蛋白质机器，全都用ATP硬币操作。一个典型的细胞每秒钟大约消耗1,000万个ATP！多么惊人的数字。人体大约有40万亿个细胞，每天需要的ATP周转量是60～100千克，与我们的体重相当。然而实际上，我们全身大概只有60克ATP，由此可以算出平均每个ATP分子大约每分钟会“重新充值”1～2次。
1700000395
1700000396
怎么重新充值？ATP分子“折开”时会释放自由能，驱动蛋白质改变形状；同时释放足够的热量保持ΔG为负值。ATP通常水解为大小不等的两部分：大的部分叫ADP（adenosine diphosphate，二磷酸腺苷），小的部分是无机的磷酸基团（PO43–）。后者就是磷肥的成分，常写作Pi。所以，把ADP和Pi重新合成ATP需要消耗能量。呼吸作用（食物和氧气反应）释放的能量就用来把ADP和Pi重新合成ATP，即所谓的“重新充值”。这个永无止境的循环写成以下简单的方程式：
1700000397
1700000398
ADP + Pi + 能量 ⇋ ATP
1700000399
1700000400
人类并不特殊。像大肠杆菌（E. coli）这样的细菌，每20分钟就可以分裂一次，每次分裂都需要消耗500亿个ATP来供应能量，这些ATP的总质量大约是大肠杆菌细胞自身质量的50～100倍。论合成ATP的速度，它们是人类的4倍。如果把这种能量供应效率转换成用瓦特计算的功率，数字同样惊人：人类每克组织的功耗大约为2毫瓦，65千克的成人功耗就是130瓦，功率比标准的100瓦灯泡还大一些。这看起来不算太多，但如果以单位质量比较，人类身体每克功率是太阳的一万倍（注意：这当然不是说我们的功率大过核聚变。太阳任何时候都只有极少一部分质量在进行核聚变反应）。与其说生命是闪烁的烛光，不如说生命是喷射的火箭发动机。
1700000401
1700000402
纯粹从理论角度看，生命一点都不神秘。它并没有违反任何一条自然规律。每秒钟流过所有活细胞的能量虽然是个天文数字，但每秒以阳光的形式倾泻到地球上的能量却又高出好几个数量级（因为太阳实在是太大了，虽然单位功率较低，总功率还是大得多）。只要这些能量的一小部分能够用来驱动生化反应，生命就能以任何方式运作吧？上一章中我们提到，遗传信息对能量的利用似乎没有任何根本的限制，只要能量够用就行。然而现实中，地球上的生命受到极其严苛的能量限制，这才是最令人惊奇的地方。
1700000403
1700000404
生命的能量问题有两个出人意料之处。首先，所有细胞的能量都来自一种特别的化学反应：氧化还原反应。在这种反应中，电子从一个分子转移到另一个分子。氧化还原反应是氧化反应和还原反应的对立统一，实质不过是一个或多个电子从供体转移到受体。供体给出电子，我们称它被氧化了。比如铁这样的物质与氧气反应，铁把电子传递给氧气，自身被氧化成铁锈。在这个例子中，接受电子的物质是氧气，我们称它被还原了。在呼吸作用和燃烧反应中，氧气被还原形成水，因为每个氧原子得到了一对电子（形成O2–），所以还要结合两个质子，把水分子的总电荷平衡到0。这个反应之所以能够进行，是因为它以热量的形式释放能量，增加外界的熵。所有的化学反应最终都会增加环境的热量并降低系统自身的能量；其中铁或食物与氧气的反应尤其高效，会释放出大量能量（比如以燃烧的形式）。呼吸作用会把反应释放出的能量部分保存为ATP的形式，至少保留一小段时间，直到ATP再度水解为止。ATP分子以ADP–Pi键的形式保留能量，当这个键断裂时，能量就以热的形式释放。所以，呼吸作用的本质和燃烧相同，中间多出的一小段延迟就是我们所说的生命。
1700000405
1700000406
电子和质子经常以这种方式结合（但也有例外），所以还原反应有时被定义为氢原子的转移。但是，从电子的角度理解还原反应要容易得多。一系列的氧化还原反应，就好像在一连串携带者之间一个个传递电子，与电子在导线中的流动相差无几。呼吸作用就是这样，从食物分子中夺取的电子并不直接传递给氧气（否则能量一下子就被全部释放了），而是传给一个“踏脚石”分子——通常是一种名为“铁硫簇”（iron-sulphur cluster）的无机晶体，其中含有带正电荷的铁离子（Fe3+）；好几个铁硫簇会嵌在一个呼吸蛋白质中（图8）。从第一个开始，电子会跳到下一个类似的铁硫簇，不过这个比上一个更“渴望”电子。当电子从一个铁硫簇跳到下一个时，每一个都先被还原（接受电子，Fe3+ 变成Fe2+），再被氧化（失去电子，Fe2+变回Fe3+）。电子最终经过至少15次这样的转移，才到达氧气分子。不同生物的生长方式，比如植物的光合作用和动物的呼吸作用，表面上没有多少共同点，实质上都使用同样的“呼吸链”把电子传递下去。为什么会是这样？生命可以利用热能或者机械能驱动，或者放射能、电能、紫外线，还有其他无限可能。但事实并非如此。所有的生命都由氧化还原反应驱动，利用非常相似的呼吸链。
1700000407
1700000408
1700000409
1700000410
1700000411
图8 呼吸链中的复合体I
1700000412
1700000413
小图A：铁硫簇的间距是14埃或者更短。电子通过量子隧道效应，从一个铁硫簇跳到另一个，大部分沿着箭头所指的主通道传递。图中的数字表示铁硫簇中心与中心之间的距离，括号中的数字表示铁硫簇边缘与边缘的距离，单位都是埃。小图B：漂亮完整的细菌复合体I成像，由利奥·萨扎诺夫（Leo Sazanov）用晶体衍射成像技术重建。电子从FMN进入呼吸链，左边的蛋白质垂直结构把电子传给泛醌（ubiquinone，又称辅酶Q），再传递给下一个巨大的蛋白质复合体。你可以从小图A中分辨出铁硫簇埋在蛋白质中的传递路径。小图C：哺乳动物的复合体I，可以看到其核心的亚基与细菌一样，但是多了30个更小的亚基（暗色部分），部分掩藏了核心亚基。这是朱迪·赫斯特（Judy Hirst）用低温电子显微镜拍摄到的结构。
1700000414
1700000415
第二个出人意料之处是能量在ATP化学键中保存的具体机制。生命合成ATP，不是通过直截了当的化学反应，而是在一张薄膜的两侧制造质子梯度作为中间步骤。等一下我们再来看这个说法是什么意思，以及这个机制具体是如何运作的。让我们先回顾一下历史。这个机制是科学史上一项完全出人意料的发现，分子生物学家莱斯利·奥格尔（Leslie Orgel）说它是“自达尔文以来生物学中最反直觉的理论”。今天我们对质子梯度的形成和利用机制已经了解得非常详尽，直达分子层面。我们还知道，使用质子梯度是地球上所有生命的共性；质子动力和DNA遗传密码一样，都是生命的基本特征。然而这个机制究竟是怎么演化出来的，我们几乎一无所知。地球生命似乎从理论上的无限可能性中，选择了一种很受限制又非常奇特的供能机制。这仅仅是演化史中的偶然？还是因为这个机制比其他机制优秀太多，最终赢家通吃？还有一种更意味深长的可能：难道，这是唯一的可行之道？
1700000416