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但我们关心的问题非但没有解决，反而变得更加复杂了：到此为止，有机物已经彻底氧化成了二氧化碳和水，可这个“电子传递链”仍然不产生任何ATP ！
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不仅如此，电子传递链传递电子的速度并不稳定，毕竟细胞内糖和氧的供给并不稳定。有时候进入线粒体的丙酮酸和氧分子多一些，电子传递链传递的电子就多一些，反过来，传递的电子就少一些。然而只要不是长时间的饥饿或窒息，线粒体生产ATP的速度就是稳定的，就好像是两件不相干的事情。
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进一步，1分子葡萄糖经过充分氧化究竟能够产生多少分子的ATP，也竟然是个概数——28个以上，38个以下。对于哪怕只学过初中化学的读者来说，这也是万分诡异的事情，因为化学反应不可能违背物质守恒定律，有确定量的反应物，就应该有确定量的生成物，而如今，在线粒体上竟然出现了例外。
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面对越来越多的谜团，在20世纪中叶，整个生物化学界都相信电子传递链中还有尚不明确的中间物质，相信那些电子逐渐释放出来的能量被中间物质储存起来，再经过某种“ATP合酶”的催化，最终存入新合成的ATP。这被称为“底物水平磷酸化”，在糖酵解和三羧酸循环中，我们已经明确的那4分子ATP都是这样生成的，当时的人类也就只知道这一种能量代谢机制。
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所以整个生物化学界都觉得胜利的曙光近在咫尺，数不清的团队争先恐后展开了科研竞赛，试图率先找到那个中间物质，完成细胞呼吸的最后一块拼图。但奇怪的是，经过了长达20多年的苦苦搜寻，没有任何人能找到这种物质，我们再熟悉不过的呼吸作用，竟然就这样陷入了认知的僵局。
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图2—18 人们相信ATP合酶会催化某种未知物质用末端的磷酸交换ADP末端的羟基，合成ATP。（作者绘）
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生命的起源：所有生命的共同祖先在40亿年前是怎样诞生的？ [:1700256293]
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·氧化磷酸化·
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终于，1961年，我们成功分离出了那个传说中的ATP合酶[11]，那个催化合成剩余34个ATP的关键的酶。它也镶嵌在线粒体内膜上，是又一种大型蛋白复合物，电子传递链每制造1个水分子，它就同时制造4到6个ATP——看起来，我们的谜题终于要解开了。
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图2—19 ATP合酶与电子传递链的位置关系（这张图仍未画完）。（作者绘）
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但困惑丝毫没有减少，反而又添了一个！
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ATP合酶的催化反应根本不涉及任何传说中的“中间物质”，也不接触电子传递链中的任何成员。要知道，任何化学反应想要发生，前提都是反应物的分子能够相遇。比如，铁要生锈，必须暴露在潮湿的空气中；氢气要与氧气燃烧，二者必须直接混合；酶要想催化任何反应，也必须与反应物接触。但如今，电子传递链和ATP合酶必须老死不相往来地嵌在线粒体内膜上才能正常工作，如果把电子传递链中的各种复合物分离出来，与ATP合酶充分混合，它们反而一点儿ATP都不能产生了。
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于是我们一路按图索骥下来，却得到了一个不可思议的结论：那剩余的34个ATP，竟然不是氧化还原反应的直接产物！
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难道我们之前的努力全都是竹篮打水吗？倒还不至于如此，毕竟我们吸入氧气产生能量已经是铁打的事实，但问题出在哪儿呢？
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历史证明，一切坎坷煎熬都是值得的，那个最终的答案如此超乎想象，却又如此不可抗拒，它让每个反对者都在鄙夷之后心悦诚服地拜倒下来。这是又一个赢取了诺贝尔奖的伟大发现：同样是在1961年，英国生物化学家彼得·米切尔（Peter Dennis Mitchell，1920—1992）借用了一句福尔摩斯的名言，“当排除了其他所有可能的答案，那么剩下的可能性，不管看起来有多么不可能，都是正确的答案”，果断地说：既然找不到那个中间物质，何不干脆承认没有这个中间物质？既然找不到电子传递链与ATP合成的化学联系，何不承认二者没有化学联系？他一口否定了之前20多年的努力，旋即提出了一个鬼马狂想曲般的“化学渗透假说”（chemiosmosis）：电子传递链会把氢离子从线粒体内膜的内侧全都泵到外侧去，当这些氢离子渗透回内侧，就会像穿过大坝的水流，推动ATP合酶造出ATP。
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这个纠集了物理、化学、生物的“理科大综合假说”刚刚提出的时候几乎被所有人嗤之以鼻，因为它太莫名其妙了，就连“化学渗透”这个词都是米切尔临时生造的。然而随后一系列的观察事实却证明了化学渗透就是人们期盼已久的正确答案，米切尔也因此获得了1978年的诺贝尔化学奖。
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图2—20 因通过化学渗透机制解释了生物能量转移机制，彼得·米切尔获得了1978年的诺贝尔化学奖。
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图2—21 拼图终于完整了，氧化反应终于和ADP的磷酸化连在一起，可被称为“氧化磷酸化”。（作者绘）
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而这个化学渗透的微观机制并没有多么复杂，一旦说破了，你会惊讶于那个苦苦追求的最终答案竟然如此浅显。
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如图2—21，简单地说，在电子传递链中，蛋白复合物I、III和IV会持续不断地把氢离子从线粒体内膜的内侧泵到外侧去，这个过程消耗的，正是那些电子在传递时逐步释放出来的能量。