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让我们来一次眼花缭乱的细胞微观之旅。想象你自己缩小到ATP分子的大小，然后进入一个心肌细胞。这个细胞中有很多动力工厂：线粒体。大量ATP从“巨大”的线粒体中涌出，驱动细胞的节律性收缩。线粒体外膜上有很多蛋白质膜孔，选一个较大的钻进去，你会发现自己进入了一个狭窄的空间，就像轮船上的轮机室，里面充满过热的蛋白质机器，一眼望不到尽头。地上好像在冒泡，很多小球不断地从机器中射出来，瞬间又消失无踪。这些是质子，带正电荷的氢原子核。整个空间到处都是倏忽往来的质子，你几乎看不见它们。蛋白质机器如庞然大物般四处耸立，你悄悄地从其中一台的中间穿过去，进入线粒体内部空间，这里的景象更加奇异。此时你已到达基质，在这个洞穴一样的空间中，流动的墙壁向四面八方涌动，你正身处令人目眩的漩涡中心。墙壁上到处镶满了旋转轰鸣的机器，小心碰头！这些巨大的蛋白质复合体深深嵌入墙体，又缓慢地四处漂移，仿佛在海面上沉浮不定。然而，它们的机件却在飞速运转。有些往复运动快得肉眼难以看清，就像蒸汽机的活塞。另一些由曲轴带动，绕着轴线高速旋转，好像随时都会甩飞出来。成千上万这样的疯狂机器无休止地运动，向四面八方延伸，像一场喧嚣狂乱的交响音乐会……到底有什么意义呢？
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你所在的地方是线粒体的深处，是细胞的热力学中心，也是进行呼吸作用的场所。食物分子在这里被夺去电子，传递给链路上第一个，也是最大的呼吸蛋白：复合体I。这个巨大的蛋白复合体由多达45个不同的蛋白质组成，每一个都是数百个氨基酸串成的长链。如果ATP和人一样大，复合体I就是一幢摩天大楼。这可不是普通的静态摩天大楼，它像蒸汽机样结构复杂，运动性能强大，仿佛有自己的生命。电子和质子分离，被复合体I从一端吸入，从另一端吐出，整个过程都在膜内发生。离开这里之后，电子依次被传递给另外两个巨大的蛋白复合体。这整条链路就是我们所说的呼吸链。每个复合体内都有好几个“氧化还原中心”（复合体I有9个），可以暂时持有电子（图8）。电子就在这些中心之间跳动。事实上，从这些中心之间均衡的散布距离来看，电子应该是通过某种量子隧道效应运动而瞬间出现和消失，位置遵循量子概率分布。运动电子的“眼中”只有下一个氧化还原中心，只要距离够近就能瞬移过去。这里的距离需要用“埃”（Å，ångström）来量度，1埃近似于一个原子的尺寸。⑧只要中心之间的距离不超过14埃，而且每个中心的电子亲和力比上一个更大一些，电子就会沿着这条路径一直跳下去，就像踩着均匀分布的垫脚石过河。电子的运动穿过三个巨大的蛋白质复合体，但并不滞留在其中任何一处，就像你踩着石头过河的时候不会流连于河水。它们一直受到氧气强大的化学吸引力，被氧气对电子的“渴望”拉动。这不是什么超距离物理作用，只是电子出现在氧气分子身边的概率比其他地方大而已。这些过程的总和相当于一条导线，外部由蛋白质和脂质绝缘隔离，内部引导电子从食物流向氧气。欢迎来到呼吸链！
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这条电子流令周围的一切充满生机。电子在路径中踊跃向前，一心一意朝着氧气奔去，并不留意周围的奇异景观：四周忙碌的机械像抽油泵一般不断抽动。但这些巨大的蛋白复合体中布满了机关。当电子在一个氧化还原中心短暂停留时，附近的蛋白质会形成特定的形状。当电子离开后，这个结构就会有部分变化，一个带负电荷的部分进行自我调整，一个带正电荷的部分便会跟着调整，由弱键构成的整个网络重新自我校准。在几十分之一秒内，雄伟的蛋白质大厦切换到一个新的构象。蛋白质某处的一个微小变化，能导致另外的地方通路大开。接下来另一个电子到达，整个蛋白质又切换回原来的状态。这种过程每秒钟会重复几十次。这些呼吸蛋白复合体的构造已经研究得非常充分，能达到几埃的解析度，直追原子水平。我们知道质子如何被蛋白质的电荷束缚，然后被结合到固定的水分子上；也知道当蛋白质通道发生变动时，水分子会如何移动；还知道质子如何通过动态间隙，从一个水分子传递到另一个。这些动态间隙不断开合，在质子通过后立即关闭，防止它回头——如同《夺宝奇兵》中印第安纳·琼斯（Indiana Jones）通过秘道时遇到的那些凶险机关。这台巨大精密的活动机器只有一个目的：把质子从膜的一边运送到另一边。
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每一对电子通过呼吸链上的复合体I，就有四个质子被运到膜对面。这对电子进入第二个复合体（严格来说是复合体III，因为复合体II是备用的进入点）后，又会运送出四个质子。到达呼吸链时，电子终于“往生极乐”（与氧气分子会合），但还得再负责运送两个质子才算圆满。所以，从食物中夺取的每对电子，对应着10个质子被运送到膜对面，仅此而已（图9）。电子流向氧气的过程释放的全部能量，有接近一半会以质子梯度的形式保存起来。所有这些强力、精巧、繁复的蛋白构造，全都是为了把质子泵过线粒体内膜。每个线粒体都有几万套呼吸蛋白复合体。每个细胞有几百到几千个线粒体。你全身40万亿个细胞至少拥有1015个线粒体；如果把它们盘绕褶皱的内膜摊平，合计面积可达14,000平方米，大约有四个足球场那么大。它们的工作就是泵出质子。加在一起，它们每秒泵出的质子数超过1021个，相当于已知宇宙中恒星的总数！
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图9 线粒体如何工作
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小图A：线粒体的电子显微照片显示了盘绕的内膜（嵴），这就是发生呼吸作用的场所。小图B：呼吸链的示意图。3个主要的蛋白质复合体镶嵌在内膜上。电子（e_）从左侧进入，依次经过3个复合体到达氧气。第一个复合体（详见图8）是复合体I，然后经过复合体III和复合体IV。复合体II（不在图中）是呼吸链的另一个入口，会直接把电子传递给复合体III。膜内部的小圆圈是泛醌，负责把电子从复合体I和II运送到复合体III。膜上方稍大的圆圈是与内膜松散结合的蛋白质细胞色素c，它把电子从复合体III运送到复合体IV。箭头所指的是电子通往氧气的流向。电子流为3个呼吸蛋白复合体泵出质子（H+）提供能量（复合体II传递电子，但不泵出质子），每一对电子通过呼吸链后，复合体I和复合体III会各泵出4个质子，复合体IV泵出2个质子。质子通过ATP合酶（图右边）的回流，驱动了ATP的合成（从ADP和Pi）。
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不过，这实际上只是一半的工作，另一半工作是汲取这些能量来合成ATP⑨。对质子来说，线粒体内膜几乎完全不可渗透；前面我们提到的那些等质子通过后马上关闭的动态通道，就是为了确保这一点。质子是微小的粒子，其实就是最小的原子（氢原子）的核，挡住它们绝非易事。质子可以轻易穿过水，所以膜的所有部分还必须绝对防水。质子还是带电粒子，带一个单位的正电荷。所以把质子泵过一层封闭的膜产生了两个效果：第一，在膜的两边制造了质子的浓度差；第二，膜的两边形成了电位差，外部环境相对于内部是正电位，膜内膜外的电位差是150～200毫伏。不要小看这个数字，因为膜本身非常薄（厚度为6纳米左右），在这么短的距离上，这是非常强大的电势能场。你可以再次变回ATP的大小去体验一下。如果待在膜附近，你感受到的电场强度是每米三千万伏特，相当于一道闪电，或者是普通家用电的1,000倍。
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这个巨大的电位势，或称为质子动力，驱动着最令人叹为观止的蛋白质纳米机器：ATP合酶（ATP synthase，图10）。“动力”意味着运动，而ATP合酶确实是一台旋转马达。在ATP合酶中，质子流推动曲轴，曲轴转动具有催化能力的旋转头——正是这些机械力驱动着ATP的合成。这台蛋白质机器的工作方式就像涡轮水力发电机，在膜对面积蓄的质子就像被水坝拦起来的水。质子从膜外回流，就像水流从高处泻下，推动涡轮转动。这真不是诗意泛滥的修辞，而是精确的描述，是这台微观机器的本来面目；即使这样形容，也很难表现出这台蛋白质机器内部惊人的复杂度。我们仍然不知道它的很多工作细节：质子如何与膜内的c环结合；静电力如何让c环单向旋转；旋转的c环如何扭转曲轴，使催化头发生形变；催化头上面裂隙的开合，又是如何抓住ADP和Pi，并用机械力强制它们结合，生成新的ATP，锁定质子承载的能量。这是最高级别的精确纳米工程技术，像一件魔法装备，我们研究得越多，它越显得不可思议。有些人认为它就是上帝存在的证据，我不敢苟同。我看到的是自然选择的奇迹。但无论它来源于什么，这台机器都是造化的巅峰之作。
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图10 ATP合酶的结构
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ATP合酶是一台奇妙的旋转马达，镶嵌在膜上（图下方的水平构造）。这幅漂亮的艺术再现图由戴维·古德赛尔（David Goodsell）按实体比例绘制，图中表现了ATP分子，甚至质子相对于膜和酶本身的大小。质子流通过嵌在膜上的亚基（透明箭头），驱动有条纹的FO转子旋转，并带动连在上面的曲柄（转圈的黑色箭头）。曲柄的旋转迫使催化头部（FI亚基）发生构造形变，催化ADP和磷酸基团合成ATP。催化头部不会跟着旋转，而是靠“定子”（酶左边的垂直棍子）固定其位置。膜下方显示的是质子和水结合形成水合氢离子（H3O+）。
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每10个质子流过ATP合酶，催化头都会转过完整的一圈，3个新制造的ATP分子被释放到基质中。催化头的转速可以高达每秒100转。前面我提到，ATP是生命的通用能量货币。同样，ATP合酶和质子动力也是所有生命所共有的。基本上所有的细菌、古菌，以及所有的真核生物（上一章提到的生命三大域）都有ATP合酶，少数几种例外是利用发酵作用的微生物。这样的普遍程度，只有遗传密码可以相提并论。对我来说，ATP合酶对于生命的象征意义与DNA双螺旋属于同一级别——既然这是我的书，那么我说了算。
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生物学核心的谜题
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质子动力的概念由彼得·米切尔开创。他是20世纪最低调也最具革命性的科学家之一。低调是因为他的研究领域，即生物能量学，在迷醉于DNA的生物学界只能算是冷门（过去和现在都是如此）。20世纪50年代，克里克和沃森在剑桥大学开创了DNA时代；米切尔正是他们的同代人，而且后来也获得了诺贝尔奖（1978年），但他的科学思想却经历了太多磨难。当沃森刚发现DNA的双螺旋结构时，他马上宣布：“这太完美了，一定是正确的。”事实也证明他是对的。米切尔的思想则极端反直觉，与完美的双螺旋正好相反。他本人性格暴躁易怒，好争辩，但也绝对才华横溢。1961年，他在《自然》期刊上（此前，克里克和沃森的那篇著名论文也发表于此）发表了“化学渗透假说”（chemiosmotic hypothesis），不久就被迫从爱丁堡大学退休，官方理由是胃溃疡。“化学渗透”是米切尔引入的术语，是指质子穿过膜的过程。可能是出于刁钻古怪的性格，他的术语中“渗透”（osmotic）这个词根用的是希腊文原意，即“推动”，而不是我们熟知的渗透（osmosis）的现代含义，即水穿过半透膜。呼吸作用逆着浓度梯度的方向，把质子推过一层薄膜，这才是米切尔“化学渗透”的原意。
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米切尔的个人经济条件很好，做事又强调实用，所以花了两年时间，把康沃尔郡博德明镇（Bodmin in Cornwall）附近的一座庄园改造成了实验室兼住所，1965年又在那里成立了格林研究所（Glynn Institute）。接下去的20年间，他和几位顶尖的生物能量学家的主要工作就是反复验证化学渗透假说，得到的结果却充满争议。他们之间的个人关系也随之恶化。在生物化学编年史上，这段时期以“氧化磷酸化战争”（ox phos wars，即oxidative phosphorylation的缩写）闻名，“氧化磷酸化”就是指氧气获得电子和ATP合成这两个过程之间的偶联机制。现在也许很难想象，我在前面几页中介绍的各种细节，科学界直到20世纪70年代还一无所知。其中的很多部分，直到现在仍是科学研究的前沿热点。⑩
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为什么米切尔的理论如此难以接受？部分原因在干他的理论真的太出人意料了。作为对比，DNA的结构非常有道理，两条单链互为模板，DNA的核苷酸序列又可以为组成蛋白质的氨基酸编码。而化学渗透假说显得极其古怪，米切尔自己的解释听起来更像天外奇谭。我们都知道，生命的本质就是化学。ATP的化学结构就是ADP加磷酸基团，所以几十年来大家都认为，只要有某种活性中间体把磷酸基团传递给ADP，就能合成ATP。细胞中充满了各种活性中间体，只需要找到正确的那一个就好。然而米切尔意外登场，眼中闪着疯狂的光芒，活脱脱一个偏执狂，写着没人看得懂的方程式，高声宣布：呼吸作用根本不是化学反应；大家都在寻找的活性中间体根本不存在；电子流动和ATP合成的偶联机制其实是质子梯度，位于一层不可渗透的薄膜两边，叫作质子动力。难怪他那么招人讨厌！
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这真是一段传奇，科学研究真正的运作方式往往出人意料。科学哲学家托马斯·库恩（Thomas Kuhn）关于“范式转变”带动科学革命的观点，在生物学中找到了绝佳的范例。现在，米切尔的理论已经被供奉在历史的殿堂，理论细节的研究已经直至原子水平。1997年，约翰·沃克（John Walker）获得诺贝尔奖，凭借的就是ATP合酶结构研究的巅峰成就。明确复合体I的结构是一项更高的成就，但外行人可能认为这些都是之前剩下的细枝末节，生物能量学不会再有革命性的发现，能与米切尔的理论媲美。有趣的是，当初米切尔构思他的激进理论，并非从呼吸作用的详细机制出发考虑，而是从一个简单得多却又更加深刻的问题着手：细胞（他考虑的是细菌）怎样保持内外的差异？从一开始，他就认为生物与它们的环境通过二者之间的膜紧密联系在一起，不可分割。这也是本书的中心观点。这些基本的生化过程对于理解生命起源和存在的重要性，很少有科学家像米切尔认识得那样深刻。在他发表化学渗透假说的四年前（1957年），在莫斯科的一次生命起源研讨会上，米切尔在演讲中这样说：
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我无法脱离环境来思考生命……必须认为二者是同一连续体中旗鼓相当的两相，二者之间的动态联系由膜来维持；膜既隔开生命与环境，又让它们紧密连接。
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米切尔这段话的思想内涵，随后衍生出了化学渗透假说。思想本身比处理实际问题的化学渗透理论更富有哲学意味，但我认为二者具有同等的先见之明。在当代研究中，分子生物学的主导地位已经让我们忘记了米切尔对膜的执着，还有对细胞内外环境之间关键连接点的重视。米切尔称其为“向量化学”（vectorial chemistry），即具有空间方向性的化学，其中位置和结构有重大意义。这不是传统思维方式下的“试管化学”（test-tube chemistry），其中所有反应物都在溶液中混合。所有生命都利用氧化还原化学，在膜的两侧制造质子梯度。生物到底为什么这样做？对这一点的思考，现在听起来不像在60年代那样离经叛道，只是因为大家已经听了50年，听多了就算不再蔑视，也熟视无睹了。这些思考显得不再新颖，被封存在教科书中，无人问津。我们早已知道这些观点是正确的，但对于背后更重要的“为什么”，却没有更接近答案。这个问题可以分解成两部分：为什么所有的活细胞都使用氧化还原反应作为自由能的来源？为什么所有细胞都使用跨膜的质子梯度保存这些自由能？我们还可以问得更本质一点：为什么用电子？为什么用质子？
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生命就是电子的作用
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为什么地球上的生命都利用氧化还原反应？这可能是最容易回答的部分。我们所知的生命是碳基生命，准确地说，生命基于被部分还原的碳元素。做一个简单到可笑的粗略近似（先不考虑生命必需的少量氮、磷和其他元素），生命的“分子式”就是CH2O。如果以二氧化碳为起点（下一章会讨论这个问题），那么要形成生命，就必须演化出从氢气（H2）这样的物质中转移电子和质子到二氧化碳的过程。原则上，电子的来源并不重要，可以来自水（H2O）、硫化氢（H2S），甚至可以来自亚铁离子（Fe2+）。关键是电子必须转移给二氧化碳，而所有这类转移都是氧化还原反应。顺便说一下，前面的“部分还原”，是指二氧化碳没有被完全还原成甲烷（CH4）。
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生命是否可以用其他物质取代碳呢？这当然是可以想象的，我们都很熟悉用金属和硅制造的机器人。那么，碳到底有什么特别之处？说实话，很多。每个碳原子可以形成四个强力的化学键，比它在周期表上的同族邻居硅元素形成的键强得多。这些键让碳原子可以连接成变化极为丰富的长链分子，特别是蛋白质、脂质、糖和DNA。硅元素根本无法支持这样的化学多样性。而且，常温下没有类似二氧化碳的气态硅氧化物。我把二氧化碳想象成某种乐高积木，你可以从空气中搜集它们，一块一块添加到其他分子上，每次增加一个碳原子。而硅氧化物呢……你可以试试用沙盖房子。也许会有类似于我们的高级智慧生命，把硅引入为生命的一部分，但还是很难想象生命能以硅元素为基础，从最底层开始自我提升。这并不是说，无限的宇宙中就不可能演化出硅基生命，谁敢如此断言呢？但是从可能性和可预测性（这些正是本书的要点）的角度来看，与碳基生命相比，存在硅基生命的可能性微乎其微。碳不仅更好用，而且在宇宙中的丰度远高于硅。因此再做一个合理的近似：生命就应该是碳基的。
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