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现代的新陈代谢过程正如上述的法拉利引擎，它们能够利用许多不同种类的燃料。除了燃烧供能之外，新陈代谢还可以利用所有这些燃料获得并合成身体所需的基本粒子，身体会利用这些粒子进行生长、繁殖或是修复伤口。这就好比一辆车不光能够利用油箱里的燃料启动引擎，同时还能用它修补漏气的轮胎和破损的挡风玻璃。
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我们这里所说的基本粒子包含大约60多种核心分子，它们是构成以及修复人体的主要成分。最重要的基本分子莫过于组成DNA的4种脱氧核苷酸，也就是构成人类基因组的单位成分。每个脱氧核苷酸分子由一分子脱氧核糖、一分子磷酸基团以及一个含氮碱基构成。含氮碱基一共有4种，分别为腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤及胸腺嘧啶。紧随其后的是DNA的转录产物RNA，同样是调节生命活动的重要分子。组成RNA的4种核苷酸分别为腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和尿嘧啶（uracil，U），和组成DNA的脱氧核苷酸仅有一个氧原子的区别，不过正是这个氧原子导致了巨大的化学差异，使得RNA更适合作为催化剂。
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由于缺乏氧原子的核糖更稳定，所以DNA更适合作为遗传信息的载体。RNA继而被翻译为蛋白质，构成蛋白链的基本单位是20种氨基酸，其中的一些在日常生活中十分常见，比如感恩节后嗜睡症的元凶色氨酸，还有调味剂味精的主要成分谷氨酸。除此之外，还有生物膜的主要成分磷脂，在食物不足时的能量储存分子，协助酶完成催化作用的分子等，正是类似的大约60种单位分子构成了细胞本身。
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新陈代谢的主要任务在生命出现的38亿年间几乎丝毫未变，主要是获取能量以及合成物质。新陈代谢反应本身也没有改变，以前一分子蔗糖通过水解反应得到一分子的葡萄糖和一分子的果糖，现在依旧如此，改变的仅仅是新陈代谢反应的数量。我们远古的祖先只需要依靠寥寥几个生化反应就可以活命，而现代生物则要依赖众多复杂的新陈代谢反应。
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现代的新陈代谢是一系列高度复杂且相互关联的生化反应组成的网络，这张反应网是生命经历将近40亿年进化的结果。如果你试着把这些反应绘制出来，它看起来像极了一张标注出每条街道的美国地图。从居民区的小巷到整条州际高速，一切尽收眼底。图的中心是古老的三羧酸循环，就像连接白宫和国会大厦的宾夕法尼亚大道。图2-2展示了这张反应网络的一小部分，图中以线条相连的两种物质（在图中以图形表示）之间都存在相互反应。你可以把它当作一张村庄的地图来看，图中标出了蔗糖分解反应中的4种相关分子，它们都被圈在一个椭圆内。不过，不要被这幅简化图欺骗了，它所展示的并不是完整的事实。果糖实际上在人体内参与了37种不同的反应，而不只是图中展示的这一种。另外，现代的新陈代谢反应需要底物以外的许多其他分子参与才能完成。
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图2-2 部分新陈代谢网络示意图
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弄清代谢反应网络中涉及的分子花费了科学家一个多世纪的时间。在过去的100多年里，数以千计的生物学家通过研究同一种人类肠道细菌构建了有关新陈代谢的知识巨塔，这种细菌就是大肠杆菌。科学家构筑这座知识巨塔耗费的时间和精力几乎与在现实中建造一座中世纪大教堂无异，而从塔顶看到的风景也蔚为壮观。
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如今，我们已经意识到大肠杆菌的新陈代谢十分奇异，包含数百个代谢反应以及反应中涉及的数千种分子。我们也意识到，就新陈代谢这方面而言，大肠杆菌以及许多其他微生物都可以轻易打败我们。比如，对于组成蛋白质的20种氨基酸，我们的身体只能合成其中的12种，其余的氨基酸只能通过食物获得；正常情况下身体需要的13种维生素，只有两种是我们的身体能够合成的，即维生素D和B7（生物素）。而大肠杆菌可以从零开始合成所有这些维生素。
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大肠杆菌的新陈代谢之所以如此复杂，关键在于我们上述所说的那60种生物单位分子。合成每一种基本分子都需要众多相关反应以及中间产物，而大肠杆菌是一名出色的生存游戏玩家，营养丰富的肠道并不是它最得意的竞技场，哪怕是贫瘠到只有7种小分子的饥荒环境也可以是它们的乐土，它们依旧能够利用这些分子获取能量和营养。在这种极端的环境里，每分子物质都必须身兼两职，比如葡萄糖就在为大肠杆菌提供能量的同时也为它的合成代谢提供碳元素。大肠杆菌仅凭这些就可以合成任何需要的基本物质，然后再用这些单位物质获得其他所有所需的生物成分。
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作为一名生存型选手，大肠杆菌的本事还不止于此。如果从已经贫瘠不堪的环境里取走所有的葡萄糖并替换成另一种不同的物质，比如甘油，大肠杆菌依然能够利用这种新的成分为自己提供碳元素和能量。把甘油换成醋酸，道理也相同。总共算起来，大肠杆菌可以利用超过80种不同的分子作为它唯一的能量以及碳原子来源，进而合成细胞内的千万亿分子。对于其他几种元素也类似，比如氮元素和磷元素。大肠杆菌就像一台能够自我构建、自我增殖、自我修复的跑车，而它需要的燃料既可以是煤油，也可以是可口可乐，甚至可以是洗甲水。
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成分越是简单的化学环境越适合微生物的实验室研究，但在自然界中如此纯粹可控的环境往往不常见。在类似土壤和人体肠道这样的环境里，物料分子的种类总是不断发生着变化。为了从这样的环境中有效摄取能量和碳源，微生物代谢的物质需要有一个明确的先后顺位。而要建立这种顺位，它们就必须尝试每一种可能的能源和碳源。
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这样一想，1 000多种反应听起来似乎也不算多了。
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当今的生物与它们遥远的祖先的另一个重要区别在催化剂，也就是加速化学反应的功能分子。如果你的肠道缺乏适当的酶，比如蔗糖酶，那么你可能要花上几年甚至数十年时间才能消化一杯糖水里的蔗糖。如果没有蔗糖酶的帮助，就算你每天喝十几升的糖水，最后依旧会死于低血糖。
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不过，现代生物的催化剂已经不是简单的金属元素催化剂了。如今自然界的生物催化剂可以成万亿倍地提高生化反应的速度，让底物分子几乎在相遇的同时就完成反应。自然界有数千种不同的催化分子，每一种都有特定的氨基酸序列。再以蔗糖酶为例，蔗糖是一个包含1 827个氨基酸残基的巨大分子，每一个氨基酸残基至少有十几个原子，也就是说一个蔗糖酶分子里有两万多个原子，但是蔗糖分子总共只有45个原子。与蔗糖酶相比，如果说蔗糖是一粒豌豆，那么蔗糖酶就相当于一个足球，这也就是为什么相对于它们所催化的底物或者合成的产物而言，酶分子会被称为生物“大分子”（macromolecules）。蔗糖酶看起来已经不算小了，但是类似大小的酶在自然界比比皆是，很多酶的尺寸甚至远远超出于此。
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蔗糖酶的氨基酸链合成之后，需要进行空间上的弯曲和折叠，如同毛线球一样，但是两者有一个重要的区别：每个毛线球可能都略有不同，但是每一个蔗糖酶都完全一样。蔗糖酶的氨基酸链合成之后，会在空间上以严格的方式进行精确的折叠。经过折叠的蔗糖酶通过高频的扭曲、摇摆和震动执行它的催化作用。我们可以想象一下这台自我组装的纳米机器，它行动迅速地吸收底物分子，裂解之后吐出反应产物，整个过程一气呵成，快得让人眼花缭乱。
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每一个细胞都含有数千种类似的纳米机器，每一种都负责催化一个特定的生化反应。所有这些酶都在细胞内生物单位分子高度集中的区域内发挥作用，这些代谢反应发生的特定位置通常比东京高峰时段的地铁站还要拥挤，令人称奇。
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我们还不知道生命到底是如何从最初简单的形式进化出如此高度的复杂性，或许我们永远也无法知道确切答案。到目前为止，在化石中发现的最古老的细胞已经与现代细胞无异，而它们的祖先至今仍然半遮着容颜，隐藏在氤氲之中。这种未知一点都不奇怪。多数古老的岩石都无法在漫长的时间长河里保留下来。最早的原始生命不过是一团柔软脆弱的分子，即使动荡的大陆板块没有把它们留在岩石上的痕迹抹得一干二净，它们也不是铺满海底的蓝绿藻（blue-green algae）[10]，更不用说像生活在数亿年前的恐龙那样，留下巨大的骨骼化石。
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但我们可以确信的是，所有生物都来自一个共同的祖先，这并不是说生命起源只发生过一次。由于自组织现象的存在，我不会对历史上生命有过多次起源感到惊奇，最早的生命可能诞生于深海热泉，可能诞生在温暖的池塘，又或者，天晓得是哪里。在所有这些忽明忽暗闪烁于地球早期的微弱的生命之光中，有的星火难以为继，有的则越来越明亮。它们之中只有一个得以辉煌灿烂，并诞下了今天所有的生命。这不是“仁者见仁，智者见智”的问题，而是必须如此，原因只有一个：标准化，精确并且广泛适用的标准化。
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计算机学家安德鲁·塔嫩鲍姆（Andrew Tanenbaum）曾经不无嘲讽地说：“标准化的唯一好处是，它让你有充足的选择余地。”我大概明白他所嘲讽的对象。每当我家里的遥控器、钟表或者别的什么小玩意儿没电的时候，我就要翻箱倒柜地找出一大把大大小小的电池，但通常都没有我需要的型号。如果日常生活中只存在一种规格的电池，抑或只有一种型号的咖啡滤纸、数据存储介质和操作系统，那不知道要免去多少麻烦。甚至更古老的技术都头疼于难以统一的标准：在公共电力系统建立一个多世纪之后的今天，世界上依然存在14种互不兼容的插座标准。每天，当全世界上百万个国际旅行者带着笔记本电脑、电吹风和剃须刀到达一个陌生的城市，却发现忘记带上合适的插座转换器时，想必都是万般无奈。
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大自然不一样，它有标准化的电池，有着各种可利用的能量形式，包括机械能（拆迁时用铁球撞毁房屋）、电能（驱动电脑的电子流）和化学能（分子中把原子连接在一起的键能），其中化学能是最受生命青睐的。地球上的所有生物，从单细胞的细菌到巨大的蓝鲸，都使用同一种标准化的储能物质，这种能量分子就是三磷酸腺苷（adenosine triphosphate, ATP）。三磷酸腺苷分子中有高能的化学键，当高能化学键断裂时，键能就会转移到其他分子中，同时三磷酸腺苷变为相对低能的二磷酸腺苷（adenosine diphosphate，ADP）。为了重新合成三磷酸腺苷分子，需要某些特殊的酶催化，将能量从能源分子转移到二磷酸腺苷当中。
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不过，并不是所有来自三磷酸腺苷的能量都会被转移到其他分子上。细菌用三磷酸腺苷的能量挥动鞭毛，驱动自身在水里游动。萤火虫则在希望吸引配偶的时候用三磷酸腺苷点亮自己的身体。有些种类的鳗鱼会把三磷酸腺苷的化学能转化为电能，并用电脉冲捕捉猎物。但是无论最终变成什么形式的能量，不管是机械能、光能还是电能，生物利用的所有能量本质上都是来自三磷酸腺苷的化学能。
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如果细胞想利用能源物质来合成自身的成分，比如葡萄糖，它必须首先将葡萄糖里的化学能转移到三磷酸腺苷里。而后一步接一步，三磷酸腺苷的化学能被用于合成其他分子。通过这种方式，来自食物的化学能最终成为生物成分分子中的化学键能。因此，三磷酸腺苷是能量转移过程中关键的中间分子。
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