1700249860
这些主张真是非常有远见，但是这个例子也不幸地显示，历史由胜利者书写，即使在科学界也是如此。[2]因为伽伐尼拒绝拥戴拿破仑，因此拿破仑攻占意大利之后，他就被逐出博洛尼亚大学，次年因穷困潦倒而死。他的主张在随后数十年内渐渐没落，在很长一段时间，他只给后人留下“神秘的动物电流宣传者”或“伏特的对手”的印象。而伏特则在1810年被拿破仑封为伦巴第伯爵，不久之后电力单位也根据他的名字被命名为伏特。但是，尽管伏特因为发明了第一个实用电池，也就是伏特电池，在历史上占了一席之地，但是关于动物电流这件事他却错得离谱。
1700249861
1700249862
一直到19世纪末，伽伐尼的理论才再度被认真对待，这要归功于德国学派对于生物物理的钻研，而其中最著名的人物当属物理大师赫尔曼·冯·亥姆霍兹。这个学派不只证明动物的肌肉与神经确实由“动物电流”产生力量，亥姆霍兹甚至计算出神经传递电脉冲的速度。他使用的方法是当时军方用来测量炮弹飞行速度的方法，而结果很奇怪。神经传导的速度相对偏慢，大约是每秒几十米，远不及正常电流每秒几百千米的速度。该结果表明动物电流和一般电流确有不同。很快科学家发现两者最大的不同就是动物电流由笨重缓慢的带电离子，如钾离子、钠离子或钙离子传递，而不是迅速又难以捕捉的电子。当离子穿过膜的时候会造成去极化现象，也就是说，细胞膜外面会暂时带更多负电。去极化现象仅发生在非常靠近细胞膜表面的地方，会形成“动作电位”，它会沿着神经表面或在肌肉里传递下去。
1700249863
1700249864
但是这种动作电位到底如何驱动肌肉收缩。在回答这个问题之前，还要先回答另外一个更大更难的问题，那就是肌肉到底如何收缩？这次科学家利用更先进的显微镜技术来找答案。显微镜下的肌肉呈现出有规律的纹路，当时人们认为它们很可能由密度不同的物质组成。从19世纪30年代晚期开始，英国的外科医师兼解剖学家威廉·鲍曼，详细研究了40多种动物的肌肉显微结构。这些动物除了人类之外，还有其他哺乳类、鸟类、爬行类、两栖类、鱼类、甲壳类以及昆虫等等。他发现所有这些动物的肌肉都有横纹条带(称为肌节)，如160年前列文虎克的描述。不过鲍曼注意到，在每一节肌节中间还可以根据颜色分为明带与暗带。当肌肉收缩的时候肌节缩短，只有明带会消失，形成鲍曼所称的“收缩时的黑色浪潮”。根据这种现象，鲍曼认为，肌肉整体的收缩来自每一段肌节的收缩，目前为止他是对的(见图6.1)。
1700249865
1700249866
1700249867
1700249868
1700249869
图6.1 骨骼肌的构造，图中显示骨骼肌最具特色的横纹条带。在每两条深黑线(又称Z线)之间就是一节肌节，在每一节肌节中，颜色最深的区域内(暗带，或称A带)肌球蛋白和肌动蛋白结合在一起；颜色最浅的区域内(明带，或称I带)只有肌动蛋白；颜色介于两者之间的灰色区域内只有肌球蛋白纤维连接在中间的M线上。当肌肉收缩的时候，肌动蛋白与肌球蛋白连接形成的横桥会把在明带的肌动蛋白拉往M线，因而让肌小节缩短，看起来就像“黑色浪潮”(明带会并入暗带里面)。
1700249870
1700249871
但是在这之后，鲍曼就背离了正确的方向。他发现肌肉里面的神经不直接和肌节作用，所以他认为电流应该间接引起收缩。另外，括约肌和动脉里的平滑肌也让他很困惑。这些地方的肌肉，并没有像骨骼肌一般具有明显的横纹条带，但是它们仍然可以顺利收缩。因此鲍曼最后认为这些条纹和肌肉收缩并没有太大的关系，肌肉收缩的秘密，应该在那些看不见的分子结构中，而这些东西，鲍曼认为“超越了感官所能探知的领域”。关于分子的重要性，鲍曼是对的，不过他对肌肉条纹的看法是错的，对感官的看法更是错得离谱。但是他这种看法，却被同时代大部分人所接受。
1700249872
1700249873
就某种意义上来讲，维多利亚时代的科学家可以说是既无所不知却又一无所知。他们知道肌肉是由数千条纤维组成，每一条纤维都有分节，也就是肌节，这些肌节就是收缩的基本单位。他们也知道肌节里面之所以会有不同颜色的横纹，是因为组成成分不同。有些科学家已经猜到，这些条纹由相互滑动的纤维组成。他们也知道肌肉收缩是由电力驱动，而电力来自肌肉内部膜内外的电位差。他们甚至正确地假设钙离子是最可能造成电位差的主因。他们也分离出了肌肉里面最主要的蛋白质成分，并且把它命名为肌球蛋白，这个命字来自于希腊文，意思就是肌肉。但是深藏在这下面的分子秘密，也就是鲍曼认为超越感官所能探知的领域，确实超越了维多利亚时期科学家的探知范围。他们知道很多肌肉组成的知识，但完全不知道这些成分如何组合在一起，更不知道它们如何运作。这些东西还有待20世纪了不起的还原主义者来揭示。为了真正了解肌肉的伟大之处，以及这些成分如何进化出来，我们必须把维多利亚时期的科学家抛在脑后，直击肌肉分子本身。
1700249874
1700249875
1950年在剑桥大学，物理系的卡文迪西实验室刚成立了结构生物学组，同时也造就了科学史上的多产一刻。那时这里有两位物理学家和两位化学家，利用一种技术，完全改变了20世纪下半叶生物学，该技术就是X射线晶体学。要从不断重复的晶体几何结构中找出些什么东西是很困难的。即便在当下用它们来研究大部分的生物分子，也还是很难解的数学计算问题。
1700249876
1700249877
那时候马克斯·佩鲁兹是实验室领导者，他和助手约翰·肯德鲁是第一次解开大型蛋白质(比如血红蛋白分子和肌红蛋白)结构之谜的人。解谜的方法别无其他，就是研究当X射线打到分子长链上由原子散射产生的光斑。[3]之后加入的克里克以及更晚一些加入的美国年轻人沃森，两人利用相同的技术解开了DNA的结构之谜。但是在1950年加入的第四个人并非沃森，而是另一个更无名(至少对外界人来说)，同时也是这个团队中唯一没有拿到诺贝尔奖的科学家。他就是休·赫胥黎，他其实应该被授予诺贝尔奖，因为他在向世人展示肌肉的分子如何工作上的贡献比任何人都大，而相关研究足足持续了半个世纪。至少英国皇家学院为表彰他的贡献，1997年给他颁发了最高荣誉奖章：科普利奖章。当我在写本书之时，赫胥黎是美国麻省布兰戴斯大学荣誉教授，即使83岁高龄仍持续发表论文。
1700249878
1700249879
造成赫胥黎无人知晓的原因之一，是大家常常把他和另外一位名气较大，同时也是诺贝尔奖得主的安德鲁·赫胥黎搞混。后者的祖父是那位以雄辩闻名、人称“达尔文的斗牛犬”的生物学家托马斯·赫胥黎。安德鲁·赫胥黎因其战后对神经传导所做的杰出研究而出名。在20世纪50年代早期，他开始转向肌肉研究，在随后几十年间他也成为研究肌肉的主要人物。这两位互相毫无关联的赫胥黎，分别独立研究，最后得到相同的结论，1954年两人同时在《自然》期刊上发表了两篇连在一起的论文，提出现在被大家熟知的纤丝滑动学说。特别是休·赫胥黎更是充分发挥了X射线晶体学与电子显微镜两种技术的威力(他当时年仅20岁)，在随后的几十年之内抽丝剥茧地揭开了肌肉功能的奥秘。
1700249880
1700249881
休·赫胥黎在第二次世界大战时负责研究雷达，战后回到剑桥大学继续完成学业。正如许多同时代的物理学家一样，他畏于原子弹的杀伤力而放弃物理学，转而投向情感与道德压力都比较小的生物学。或许可以说，物理学的损失就是生物学的收获。赫胥黎在1948年加入佩鲁兹的团队，当时他惊讶地发现，人类对于肌肉的构造与功能知道的竟是如此之少。他立志要弥补这一点，最后这成为他一生的事业。一开始他模仿伽伐尼利用青蛙腿来研究，但是初期的结果令人失望，实验室培养的青蛙肌肉的X射线光斑非常暗淡，无法得到清楚的模式。不过后来他发现野生青蛙的肌肉就好多了，所以每天一大早还没吃早饭，他就在寒冷的清晨，骑车前往沼泽区捉青蛙带回来做实验。然而这些野生青蛙腿虽然可以产生清楚的X射线光斑，但是结果却难以解读。赫胥黎在1952年的博士论文答辩时遇到了多萝西·霍奇金，这本来应该是件很幸运的事，因为她可是晶体学领域里的佼佼者。在看过赫胥黎的论文之后，霍奇金闪过一个念头，认为实验结果或许可以用纤丝滑动来解释，并且在楼梯间遇到克里克时，非常兴奋地与他讨论这个主意。但是当时的赫胥黎还处在血气方刚的好斗年纪，因此他理直气壮地与霍奇金争辩，认为她并没有仔细阅读论文中关于实验方法那一章，而论文的数据并不支持她的结论。两年之后，在电子显微镜的辅助之下，赫胥黎自己也得到相同的结论，不过现在他有非常充足的证据。
1700249882
1700249883
由于赫胥黎过早下结论拒绝接受纤丝滑动理论，让该理论的发现延迟了两年，但他有准确的洞察力，相信结合X射线晶体学与电子显微镜，必定能够揭开肌肉收缩的分子机制。赫胥黎指出，这两个技术都各有缺点，“电子显微镜可以给我们清晰又明确的影像，但有各种各样的伪影。X射线晶体学可以给我们真实的数据，但难以解读。”而他的洞见是相信两者可以取长补短。
1700249884
1700249885
赫胥黎也很幸运，因为当时没有人有远见，可以看出科技在未来半世纪的长足发展，特别是X射线晶体学。X射线晶体学最大的问题就在于射线的强度。要让X射线通过物体产生可被观察的衍射(或散射)图案，需要非常大量的射线。这需要花非常多的时间(在20世纪50年代要花上数小时至数天，赫胥黎和其他科学家常常需要花上一整晚确保脆弱的X射线源不至于过热)，不然就需要极强的放射源，能在瞬间产生强力X射线。生物学家再度需要物理学的发展，特别是在同步加速器上的。同步加速器就是那些环状亚原子粒子加速器，利用同步的磁场与电场，给质子与电子这类次原子粒子加速，使粒子达到近似宇宙射线的速度，再让它们撞击在一起。对于生物学家来说，同步加速器的价值，恰好就是让物理学家烦心的副作用。当带电的粒子在环状轨道中加速时，会释放出电磁辐射，或称为“同步加速器光源”，而这些辐射大部分恰好落在X射线的范围中。这些强力射线非常好用，可以在不到一秒的时间内生成衍射图像，这在20世纪50年代，用传统的技术可要花上数小时至数天。时间对肌肉研究来说格外重要，因为肌肉收缩发生在几百分之一秒内。要想在肌肉收缩的时候同步研究分子的结构改变，同步加速器光源是最佳选择。
1700249886
1700249887
赫胥黎最早提出纤丝滑动理论的时候，该理论还只是一个数据不足的假说。但是从那时候开始，理论预测的许多机制已经渐渐被赫胥黎以及其他科学家，利用相同的技术一点一点厘清，其详细程度在空间上达到原子等级，在时间上达到数分之一秒。维多利亚时期的科学家只能看到稍微放大的显微结构，赫胥黎却可以看出详细的分子结构，并且预测其作用机制。如今除了一小部分机制尚未明确，我们几乎知道肌肉是如何一个原子一个原子地收缩的。
1700249888
1700249889
肌肉收缩所依赖的是两种蛋白质，肌球蛋白与肌动蛋白。这两个蛋白质的构造，都是由不断重复的单元所结成的长条纤维(也就是聚合物)。较粗的肌丝由肌球蛋白构成，这是维多利亚时期的科学家起的名称，而较细的肌丝则是由肌动蛋白构成。这两种纤维，粗肌丝与细肌丝，各自被捆成一束，彼此平行排在一起，两种纤维束之间则由与纤维呈直角的横桥连在一起(休·赫胥黎在20世纪50年代首次用电子显微镜看到该构造)。横桥并非僵硬不动，而是可以前后摇摆。每摇摆一次，它们就把肌动蛋白往前推一点点，看起来就好像船上划船的水手。但是和维京长船不一样的是，这里的桨摆动得毫无规律，这些水手似乎并不想听从命令。在电子显微镜下面观察可以发现，在数千个横桥结构中，摆动一致的还不到一半，剩下大部分的桨看起来都前后不一。不过数学计算的结果显示，摆动就算不和谐一致，但总体力量也足够让肌肉收缩。
1700249890
1700249891
所有这些横桥结构都是从粗肌丝伸出来的，它们其实是肌球蛋白的一个子单元。从分子的角度来看，肌球蛋白非常巨大，它比蛋白质的平均尺寸(比如说血红蛋白)大了八倍。整体来讲，肌球蛋白的形状有点像精子，或者其实应该说像两个精子头部并排而尾巴紧密地缠绕在一起。每个肌球蛋白分子的尾巴又与其他肌球蛋白的尾巴交错排列，这让粗肌丝看起来像条绳索。它们的头部从绳索中冒出来，正是这些头部组成横桥，与肌动蛋白形成的细肌丝互相作用(见图6.2)。
1700249892
1700249893
1700249894
1700249895
1700249896
图6.2 由美国分子生物学家大卫·古德赛尔绘制的肌球蛋白水彩画。左边是一个肌凝蛋白分子，图中可以看到蛋白质的两个头从上面凸出，尾巴缠绕在一起。右边是肌球蛋白形成的粗肌丝，可以看到每个蛋白质的头部都凸出来与两边的肌动蛋白连在一起，而尾部则缠绕如粗绳索。
1700249897
1700249898
这些摆动的横桥如何运作呢？首先横桥会和肌动蛋白纤维结合，接上去后它还会和[4]TP分子结合，ATP分子提供整个过程所需的能量。当ATP接上去后，横桥会马上释放肌动蛋白，往前摆动70度(用横桥那有弹性的“颈部”)，之后再次接到肌动蛋白上。接上去之后，能量耗尽的ATP就会被释放出来，而横桥也弹回原来的位置，因此把整个肌动蛋白纤维往后拉。整个循环：释放、摇摆、结合、弹回，和划船几乎一模一样，每一次都将细肌丝拉动数百万分之一毫米。ATP分子在此扮演最重要的角色，没有它的话横桥无法从肌动蛋白释放，也无法摆动，其后果就是肌肉僵直。比如动物死后就是因为缺少ATP造成死后僵直的(之后由于肌肉组织开始分解，僵直会在几天之后消失)。
1700249899
1700249900
肌肉横桥有许多种，但结构大致相同，但在速度上有差异。这是一个超级大家族，有上千个成员，光在人体里就有大约40种不同的横桥。肌肉收缩的速度，受到肌球蛋白种类的影响。快速肌球蛋白可以快速地利用ATP，同时加快收缩循环的运行。在每种动物体内都有好几种不同种类的肌肉，它们各自有不同的肌球蛋白，收缩速度也不同。A不同物种之间也有类似的差异。目前已知最快的肌球蛋白是昆虫(比如果蝇)翅膀肌肉的蛋白，每秒钟可以完成数百次收缩循环，这比大部分哺乳动物的肌肉快上一个数量级。一般来说，越小的动物肌球蛋白的速度越快，因此一只小鼠的肌肉收缩速度，比人类相同部位的肌肉速度要快三倍，而大鼠则比人快两倍。已知最慢的肌球蛋白是树懒和陆龟这类运动缓慢的动物的。这些肌球蛋白分解ATP的速度是人类的1/20。
1700249901
1700249902
虽然肌球蛋白消耗ATP的速度决定了肌肉收缩的速度，但是肌肉要停止收缩不等于要耗尽所有的ATP，否则我们每次去健身房，肌肉大概都会变得像僵尸一样，需要被抬回家。事实上，我们的肌肉是会疲劳的，这似乎是为了避免僵直而产生的适应能力。决定肌肉开始和结束收缩的是细胞里面的钙离子浓度，也正是这些离子，把肌肉收缩和伽伐尼的动物电流串联在一起。当一个神经脉冲传过来时，会很迅速地沿着微管网络扩散，并把钙离子释放到细胞里面。接下来发生一连串的步骤我们不必在意，总之最后钙离子会让肌动蛋白纤维与横桥的结合点打开，这样一来，肌肉就可以开始收缩。不久之后，细胞里面充满了钙离子，钙离子通道就会关闭，然后离子泵开始运作，把所有的钙离子打到细胞外面，以便让细胞回到初始的待命状态，准备迎接下一次任务。等到细胞里的钙离子浓度降低，肌动蛋白纤维上的结合点就会关闭，摇摆的横桥就无法与之结合，肌肉收缩因此中止。具有弹性的肌节很快就会回复到原本的放松状态。
1700249903
1700249904
当然这个描述其实极度简化了肌肉运作的机制，简化到了近乎荒谬的地步。随便翻开任何一本教科书，你都可以找到一页又一页的详细描述，一个蛋白质接着一个蛋白质，每一个都有精细的结构或调节功能。肌肉生化学的复杂程度相当吓人，但是潜藏在背后的原理极度简单。这一简单原理并不只是帮助我们了解肌肉的工作方式，事实上，也是复杂生物进化的核心。在每一个不同物种身上的不同组织中，调控肌球蛋白与肌动蛋白结合的方式各不相同。生化细节上的差异，宛如巴洛克教堂上面的洛可可风装饰，每一座教堂单独来看，其装饰繁复，都让教堂显得极其独特精致，但是它们都是巴洛克教堂。同样，即使各种肌肉的功能在细节差异上有如洛可可风装饰，但是肌球蛋白还是接在肌动蛋白上面，而且永远都接在同一个位置，而ATP则一直扮演推动纤维滑动的角色。
1700249905
1700249906
比如对于平滑肌来说，它让括约肌与动脉收缩的能力，曾经让鲍曼和他维多利亚时代的同行感到非常困惑。平滑肌虽然没有骨骼肌的横纹，但仍是靠肌动蛋白与肌球蛋白收缩。平滑肌的纤维排列极为松散不具备明显的秩序。其肌动蛋白与肌球蛋白的作用机制也相对简单，钙离子流会直接刺激肌球蛋白的头部，而不必绕那些骨骼肌里的远路。但是在其他方面，平滑肌和骨骼肌收缩的方式则非常类似，两者都是靠肌球蛋白与肌动蛋白结合来收缩，一样的循环，且都依赖ATP提供能量。
1700249907
1700249908
平滑肌这种简化的收缩版本，暗示了它有可能是骨骼肌进化路上的前辈。平滑肌就算缺少复杂的显微结构，仍是有收缩功能的组织。然而根据不同物种肌肉蛋白质的研究结果显示，肌肉的进化没我们想的那么简单。日本国立遗传学研究所的两位遗传学家斋藤成也与太田聪做过一项严谨的研究，结果显示哺乳动物骨骼肌里面的蛋白质和昆虫用来飞行的横纹肌蛋白质极为相似，暗示两者必定是从脊椎动物和无脊椎动物的共祖身上继承来的，这个共祖大概出现在6亿年前。这个共祖就算还没有骨骼，也必定进化出横纹肌了。而平滑肌情况差不多，也可以追溯到相同的共祖身上。所以平滑肌并不是复杂横纹肌的进化前身，它们两者走的是不同的进化路线。
1700249909