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图3-1代表了一种我们如何组织这些信息的方式。左侧列出了5 000种不同的生化反应，每个生化反应都以化学方程式的形式表示。为了避免冗杂，我只写出了其中的一个方程式：蔗糖的分解反应。其余的反应物都以简单的字母替代。我们考虑某种特定的生物，比如大肠杆菌或人类，如果这种生物体内具有该反应，我们就在对应的方程式右侧标记一个“1”，代表它具有相应的基因，负责编码催化该反应所需的酶。否则，我们就标记一个“0”。于是便得到了一长串连续的“1”和“0”，正如图中所示的那样，我们可以用这串由“1”和“0”构成的数列代表任何一种生物的新陈代谢模式。
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图3-1 代谢基因型示意图
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像大肠杆菌这样的细菌可以合成所有20种构成蛋白质的氨基酸，而像人类这样的代谢“差生”则只能合成其中的12种。我们缺乏合成其余8种氨基酸的酶和化学反应。以图3-1中的简化法描述新陈代谢可以很形象地解释物种间的区别：由于我们缺乏相应的生化反应，对某些生化反应而言，我们的标记就是“0”，而大肠杆菌的标记是“1”。
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这种数列相当于一种简化的生物代谢基因型，是所有代谢反应的总和，也就是新陈代谢，所以代谢基因型包含了一种生物基因组中与代谢有关的所有基因。你可以把它看作是一种用二进制书写的文本，既没有标点，也没有空格，譬如“1001…0110…0010”。文本的第一个字符代表蔗糖分解反应，这里它的编号是“1”，而第二个反应可能代表合成某种必需氨基酸的反应，在这里的编号为“0”，代表这种生物不具有这种反应，而另一种生物则可能具有，也就是说其基因型编号是“1”，以此类推。
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上述文本只是宇宙图书馆里的其中一个例子，事实上，庞大的图书馆内包含了所有可能的代谢基因型。
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用计算图书馆书本数量的算法，我们同样可以计算这种编码方式下的所有编号数量。每一种生化反应对于某种特定生物的新陈代谢来说只有两种可能性，存在或不存在。对于第一个反应有两种选择，第二个反应亦然，以此类推。当检验过每一种生化反应后，编码的总数就等于与反应数量相同个数的2相乘。就已知的5 000个生化反应而言，可能的基因型一共有25000种，每一种基因型都是由“0”和“1”构成的数列，代表一种不同的代谢种类。这个数字超过101500，也就是1后面跟着1 500个0。虽然比不上我们上文中的书本多，但也已经远远多于宇宙中的氢原子数了。代谢图书馆内的馆藏数量同样超乎常识。
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如同随机庞杂的宇宙图书馆里包含了所有真实存在的书，代谢图书馆里同样包含了所有“真正”的代谢基因型，即那些真实存在于某种生物体内的代谢模式，而另一些并没有实际意义，只不过是乱码的书本而已。有的代谢基因型无法令生物获得能量，而有的则无法合成重要的代谢物质。好比一本书，虽然有的章节、段落或句子语意通顺、语法正确，但整本书却没有主旨，逻辑混乱。更有甚者，通篇连一句有意义的句子都难得一见，只有混乱无序的字母串。这些基因型所代表的代谢由缺乏关联的生化反应组成，它们的合成反应往往以对生物无用的产物分子大量囤积而告终。
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如果你在宇宙图书馆里停留足够久，一定会发现一些在主旨、想法和创意上让你颇感惊讶的书。代谢图书馆里的馆藏在这方面也是一样。你会发现前所未有的生化反应、合成新颖小分子的表现型以及利用新能源的能力。换句话说，你会发现一些新的性状。
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新陈代谢与生物进化几乎一样古老，不断进化的生命几乎一经诞生就开始探索这座庞大的图书馆。大自然早在10亿年前就创造了数量多得难以想象的生物性状，远远超出了实际需要。然而进化并没有因为这些早期的成就而骄傲自满、停滞不前。在数以万亿计的现存生物中，新的生物性状依旧以远远超出我们解读能力的速度不断涌现。某些新性状出现的时间还不到100年，对于整个进化史来说，这仅仅是一瞬间而已。
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我们来认识一下五氯苯酚，人类第一次学会合成这种臭名昭著的分子是在20世纪30年代。它被作为防污涂料用于船体表面，同时也被作为杀虫剂、除真菌剂以及消毒剂。简而言之，五氯苯酚被用来杀死各种生物。五氯苯酚对人的肾脏、血液以及神经系统同样有害，此外，它还是一种致癌物质。不过，即使它剧毒无比，生命还是找到了方法耐受它的毒性，甚至把它作为美味佳肴。鞘脂菌属的细菌S.chloroplenolicum[11]，顾名思义，能够利用五氯苯酚同时作为自己的碳源和能源，并且五氯苯酚是它唯一的食物来源。为此，它的基因组编码了4种催化用的酶，用以将五氯苯酚转化为像葡萄糖一样容易消化的分子，这相当于把生化武器变成了自己的战争口粮。
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这种利用五氯苯酚的能力是S. chlorophenlicum特有的，但代谢的化学反应本身却不是。五氯苯酚代谢过程的每一步反应都可以在其他数百种乃至数千种生物体内找到。其中两步反应在某些细菌中起到循环利用多余氨基酸的作用，而其余的两步反应则会参与分解某些真菌和昆虫分泌的毒性分子，因为这些毒性分子的结构恰巧和五氯苯酚类似。进化就像一座由自动报警的洒水系统、气泵和聚氯乙烯管等组合而成的机械停车楼，它利用不同生物中已然单独存在的各种反应，重新组合出了独特的S. chlorophenolicum。也就是说，新陈代谢进化的本质在于重新组合。
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生物体通过进化获得摄食人造剧毒分子的能力，这种现象在自然界并不鲜见。伯克氏菌属的细菌B.xenovorans能够大啖多氯联苯，而这种曾经被广泛应用在塑料制造和电气工业领域的化合物已经被明令禁止。还有一些细菌甚至能消化氯苯，后者是化学实验室普遍使用的一种剧毒有机溶剂。更极端的是，有的细菌甚至可以分解和吸收专门用来杀死它们的抗生素。能被细菌作为食物的抗生素中包括一些人造的种类，所以它们利用这些抗生素的历史并不长。
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自然力量不仅能为无米之炊，把毒药变成生命的美味口粮，还能贤惠地废物利用。以氨气（NH3）为例，你可能觉得它不过是家用清洁剂里刺鼻而难闻的那种气体，但它除了辣眼睛之外，还是一种剧毒的动物代谢产物。由于氨气易溶于水，所以鱼类可以直接把代谢的氨排入周围的水里，而后扬长而去。对于人来说，这就好比是排尿的过程。然而当3亿年前动物开启进军陆地的征程时，它们再也享受不到这种随时如厕的福利了。陆生动物亟需一种新的方式排出血液中的剧毒氨气。
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这种新的方式可以在代谢图书馆里找到，那就是把氨气转化为毒性较低的尿素，直到今天，尿素依旧是我们尿液里的主要成分。尿素的合成反应包含了五步普通化学反应，远在削减氨气毒性的反应之前。尿素合成反应中的每一步反应都已经在不同生物体中存在，互不相干，井水不犯河水。
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我们不知道动物学会合成尿素的确切时间点，不过相关的线索俯拾皆是。虽然现代多骨鱼，即硬骨鱼，不需要用转化代谢的方式来降低氨气的毒性，但是作为硬骨鱼的祖先，同样游弋在海洋里的软骨鱼早在硬骨鱼出现之前就已经学会合成尿素了，代表鱼类有鲨鱼和鳐鱼。大白鲨合成尿素的目的与人类稍有不同：它们不仅利用尿素作为氮元素的储备池，同时还用尿素保持自身的浮力和在海水中的平衡。你可能会想，如果硬骨鱼遥远的祖先能够合成尿素，那么在它的DNA中是不是可以寻得一些与合成尿素有关的蛛丝马迹。倘若如此，你的确没有想错：主导尿素循环反应的基因的确还存在于硬骨鱼当中，只不过它们在绝大多数情况下都不表达。这些沉默的基因在硬骨鱼体内就像牙牙学语时的我们，虽然能够认得些许词汇，却也是有口难言。
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清除垃圾不如废物利用，而大自然尤其擅长后者。无论是氨气还是尿素，动物排出的含氮废物都是植物的肥料。而我们呼吸的每一口氧气也不过是植物光合作用产生的“废物”。每一克动物排泄物里都含有数十亿个细菌：人类排出的废物恰恰是这些微生物的无价之宝。粪便里的每种细菌都有自己独特的代谢方式，不管代谢模式是新是旧，都可以用于降解粪便里的有机分子，为细菌提供能量和所需的分子，使它们繁荣昌盛、生生不息。
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代谢的进化不仅发生在适宜的环境里，在极端环境中也同样常见，如极端高温、极端寒冷、极端干燥、高度腐蚀性、辐射过量、极度高渗等。细菌作为个中典型，能够在沸腾的水里生息，也能在冰天雪地里泰然自若，既不害怕具有腐蚀性的硫酸，也对有着致命压强的深海毫无畏惧。为了能够在这些环境里生存下去，它们经历了无数次进化，而许多进化都与代谢相关。
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如果没有这些进化，极端环境可以像这些细菌杀死我们一样，轻易地让细菌们毙命。以高盐环境为例，由于酶在执行自身功能时依赖水作为溶剂，高盐环境中的高渗透压可以令细胞脱水而死。为了弥补损失的水分，代谢进化出了一些独特的物质，比如四氢嘧啶和甜菜碱。这些名字古怪的分子没有水那么容易脱离细胞，能够在水分顺着渗透势离开细胞的时候作为水分子的替代物。它们可以维持蛋白质的溶解状态。而合成这些分子仅仅需要几步额外的化学反应，以及一些常见的物质作为原料，比如天冬门氨酸盐。把这些合成反应整合到你体内的新陈代谢中，你就获得了在相应的极端环境中立足的资本。噬盐菌（halophilic bacteria）——它的名字来源于希腊语“喜盐”（salt-loving），能够在浓度高达30%的高盐环境里存活，10倍于人类所能耐受的极限浓度。噬盐菌能够在盐晶体周围甚至晶体内部存活。
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与其他生物比起来，可怕的极端环境倒显得有些不值一提了。掠食者和捕食者都是生物生存的大麻烦，尤其当你无从逃避的时候。由于无法移动，常见的植物基本都是其他生物的刀下肉，如昆虫、生活在地底的蠕虫、地面上的蛞蝓和食草动物都把植物当作盘中餐。植物无法通过行动进行防御，所以它们进化出剧毒的化学物质令动物避之不及。植物并不是这场化学战争里的唯一参与者，但确实是个中精英和翘楚，其中的原因大概正是因为它们哪儿也去不了。
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毒性分子的合成需要植物整合特定的生化反应，所以这些防御性分子均来自植物经历的长期进化。其中一种分子名叫尼古丁，也是令许多人吸烟时如痴如醉的烟草植物合成物。由于其巨大的毒性，尼古丁也被一些农民用作杀虫剂。但最近一组德国科学家发现，植物才是这种杀虫手段的首创者。当他们人为地降低烟草植物内的尼古丁含量后，某些害虫开始对它们大快朵颐。这些昆虫对烟草的攻击更频繁，吞噬的叶片更多，生长更迅速。而对于烟草而言，它们在掠食者的攻击下失去了比普通烟草多3倍的叶子。
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尼古丁只是我们现在已知的3 000多种植物碱里名声最响亮的那个。植物碱指一大类围绕氮原子构建的有机分子，包括咖啡因和吗啡，它们是植物的化学自卫武器。此外，虽然种类繁多，但植物碱也只是植物众多化学武器中的一种。其他的“化武”还包括涩味的丹宁，也就是食用不熟的水果时让你的嘴巴感到干涩的罪魁祸首。丹宁会与植物的蛋白质紧密结合，阻止它们在我们的肠道内被消化，这使动物对合成丹宁的植物心生厌恶而不愿意优先摄食它们。
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最为臭名昭著的是一种叫生氰糖苷的化学防御物质，主要存在于非洲和美洲的主要粮食作物木薯和树薯中。如果不经由充分烹煮与浸泡除掉生氰糖苷，这些作物就会释放氰化氢，也就是齐克隆B[12]中的活性成分，后者曾经被泵入纳粹奥斯维辛集中营的“洗浴室”里。如果你还在幻想大自然是一个诗情画意的秀丽之地，是伊甸园里的后花园，那么植物的生化武器可以立马把你天真可爱的愿景轰得灰飞烟灭。
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