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细胞呼吸过程中的关键步骤基于质子的运动：质子是被剥夺了一个电子的单个氢原子，因而带有电荷。这些质子从线粒体的中心被推出来，进入包围每个线粒体的两层膜之间的空隙。结果就构建出了一种格局：线粒体内膜外的带电质子比内膜内的多。虽然这个过程是基于化学的，但它本质上是一个物理过程。你可以把它想象成在山坡上抽水，来填满一个水坝。水电站里的水沿着山坡从水坝中一冲而下，涡轮机将水的动能转化为电能。同样，在线粒体里，被推出内膜“水坝”的质子经由蛋白质构成的通道冲回细胞器的中心，在这个落差中，带电质子产生的动能被蛋白质通道捕获，并以高能化学键的形式储存起来。
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第一个用非凡的想象力揣测到细胞可能以这种意想不到的方式产生能量的人是英国生物化学家、诺贝尔奖获得者彼得·米切尔（Peter Mitchell）。他曾在爱丁堡大学动物学系工作，多年后，我也在那儿进行了酵母细胞周期的研究，但那时他已离开，去英格兰西南部的荒原建立了自己的私人实验室。这事很不寻常，在某些人眼里，他显然是个地地道道的英国怪咖。我见到他的时候，他已经70多岁了，但好奇心不减当年，那种对知识的热情给我留下了难以磨灭的印象。我们无所不谈。他的思维方式极富创造性，令我深深地被触动；他无视那些质疑他的人，埋头证明他那些看似离奇但实际上就是正解的想法，这也让我非常敬佩。
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在线粒体中，担任“涡轮机”作用的微小蛋白质结构的长相甚至都有点像发电站中的涡轮机，只不过是现实版涡轮机的几十亿分之一的微型版！分子级涡轮机的通道只有万分之一毫米宽，质子冲过去时，会连带转动同样小的分子级转子。这个旋转的转子催生了一个非常重要的化学键，创造了一个新的分子：三磷酸腺苷，简称ATP。这种反应是以每秒150次的速度快速发生的。
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ATP是生命的通用能源。俨如一枚枚极小的电池，每一个ATP分子都储存着能量。当细胞内的化学反应需要能量时，细胞就会打破ATP的高能键，将ATP变成二磷酸腺苷（ADP），细胞可以用这个过程释放出的能量去触发化学反应或物理过程，比如分子马达的每一个动作。
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你吃掉的大部分食物最终都会在细胞的线粒体中被消耗，线粒体用它所含的化学能量制造出了大量ATP。为了给所有的化学反应提供动能，从而支持你身体里数万亿个细胞的运作，你的线粒体每天产生的ATP的总重量相当于你的体重，这是何等惊人啊！请你感受一下手腕的脉搏跳动、皮肤的热度、呼吸时胸口的起伏……这些都是由ATP提供动能的。生命的动力来自ATP。
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所有生物都需要持续、可靠的能量供应，最终，能量都是通过同样的过程制造出来的：控制质子流过膜屏障，以制造ATP。要说有什么东西最像先哲所说的“活力的火花”那样维持生命，很可能就是这种微小的电荷流过膜的过程。但这并不神秘，而是一种广为人知的物理过程。细菌主动推送质子穿过外膜，而真核生物中更复杂的细胞则是在专门的区室——线粒体——中完成这个过程的。
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整体来看，所有这些细胞内不同层级的空间组织——从酶里一个小到不可思议的对接点，到包含染色体的相对较大的细胞核——它们共同指向了一种看待细胞的新方式。如今，当我们看到强大的显微镜提供的高像素的精美照片时，我们看到的是一个复杂的、不断变化的化学微环境网络，其内部组织非常有序且相互关联。这种细胞观与那种仅仅把细胞视为乐高积木的看法有天壤之别——细胞不只是用来组装动植物体内更复杂的组织和器官的组件，实际上，每个细胞本身就是一个高度复杂且完备的生命世界。
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自拉瓦锡在两个多世纪前思索发酵如何发生以来，生物学家们逐渐认识到，即使是最复杂的细胞和多细胞体的行为也能从化学和物理学的角度去理解。这种思维方式对我和实验室同事来说非常重要，因为我们试图了解细胞是如何控制细胞周期的。我们发现了cdc2 基因是细胞周期的控制者，但接下去，我们还想知道这个基因到底做了什么。这个基因制造出的Cdc2蛋白究竟进行了哪些化学或物理反应？
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要找到这个问题的答案，我们就要从相当抽象的遗传学世界转到更加具象的、机械化的细胞化学世界。也就是说，我们必须进行生物化学研究。生物化学倾向于还原论的方法，用大量细节详细描述化学机制，相比而言，遗传学倾向于整体性的思考方式，将生物系统的行为作为一个整体去研究。就我们的课题而言，遗传学和细胞生物学已向我们表明cdc2 是细胞周期的重要控制者，但我们需要生物化学来解释cdc2 基因制造的蛋白质是如何在分子层面发挥作用的。这两种方法提供了不同种类的解释；当它们达成一致时，你就会获得信心，相信你的研究方向是正确的。
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原来，Cdc2蛋白是一种被叫作蛋白激酶的酶。这种酶会催化磷酸化反应：在其他蛋白质上增加一个带有强负电荷的磷酸小分子。Cdc2首先必须与另一种蛋白质——周期蛋白（cyclin）——结合，被激活后才能发挥蛋白激酶的作用。Cdc2和周期蛋白结合后形成的活性蛋白质复合物，则被称为周期蛋白依赖性激酶（cyclin-dependent kinase），简称CDK。细胞周期蛋白是由我的朋友兼同事蒂姆·亨特（Tim Hunt）[5] 发现并命名的，它会在细胞周期里按一定水平上下“循环”移动，这种调控是细胞机制中的重要环节，就像一个开关，可以确保CDK复合物在正确的时间启动或停止。顺便说一句，周期蛋白（cyclin）这个名字比cdc2 好多了！
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当活性CDK复合物使其他蛋白质磷酸化时，它添加的带负电荷的磷酸盐分子会改变这些目标蛋白质的形状和化学性质。这反过来也会改变它们的工作方式。比如，它们可以激活其他酶，就像在Cdc2蛋白中加入周期蛋白从而激活CDK那样。像CDK这样的蛋白激酶可以在同一时间内飞速地让许多不同的蛋白质磷酸化，所以，这些酶经常被用作细胞中的开关。这就是细胞周期中发生的事。细胞周期早期的S期要复制DNA，后期的有丝分裂要分离复制好的染色体，这些动作都需要许多不同的酶的协调。CDK对各种蛋白质同时进行大量的磷酸化，由此控制复杂的细胞过程。因此，理解蛋白质磷酸化就是理解细胞周期控制的关键所在。
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弄清楚这一切，真正认识到cdc2 是如何对细胞周期产生巨大影响的，这种满足感无以言表，我再怎么强调都不为过。说真的，这就像是传说中才有的灵光乍现的“尤里卡时刻”。我实验室的研究课题从确定酵母菌基因——比如cdc2 ，该基因控制细胞周期，从而控制细胞的增殖——到证明从酵母菌到包括人类在内的所有真核生物中都有这样的基因控制，再到最终找到让它发挥作用的分子机制。这番研究花了相当长的时间，总共大约15年，前后共有10位同事在我的实验室一起工作。而且，一如科学界的普遍情况，我们的研究成果也得益于世界上许多实验室的贡献，他们研究了各种生物体的细胞周期，包括海星、海胆、果蝇、青蛙、老鼠乃至人类。
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最终，生命从相对简单、广为人知的相吸相斥的化学原理中出现，从分子键的产生和断裂中出现。这些最基本的反应过程在极其微小的分子层面上共同运作，创造出了会游泳的细菌、生长在岩石上的地衣、花园里的花朵、飞舞的蝴蝶，以及能够书写和阅读这些文字的你和我。
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因而，我们现在思考生命时已能在观念上达成共识：细胞，乃至整个生物体，都是复杂得令人震惊但最终可以被理解的化学和物理机器。在这种观念的基础上，当今的生物学家正在努力地对这些复杂得惊人的生命体的所有组成部分进行定性和分类。为此，我们现在会利用强大的科技来深入研究极端复杂的活细胞。我们可以提取一个细胞或一组细胞，并对它们含有的所有DNA和RNA分子进行测序，再对其中数千种不同类型的蛋白质进行识别和统计。我们还可以详尽描述细胞中存在的所有脂肪、糖类和其他分子。这些技术极大地扩展了我们的感知领域，让我们对细胞内各种看不见的且不断变化的成分有了更全面综合的新认识。
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然而，将认知的视野拓宽到细胞层面也带来了新的挑战。正如西德尼·布伦纳所言：“我们沉溺于数据，却渴求知识。”他担心太多生物学家花了太多时间去记录和描述生物化学的细节，却并不能透彻地理解那一切究竟意味着什么。要将所有数据转化为有用的知识，其重点就在于理解生命如何处理信息。
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这就是生物学里第五个伟大的概念，也是我们接下来要细说的。
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注释：
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[1] 盖伦（129—约200），古罗马医师、自然科学家。他基本继承了从希波克拉底以来希腊医学的唯物主义传统，但对肌体内进行的各种无法解释的过程，他将其归结为非物质力量的作用，如宗教神秘论、信仰梦兆等。
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[2] 袋鼠法庭（kangaroo court）始见于19世纪50年代的美国西部，当时常规法庭的触角还没有延伸到尚未开发的西部边境地区，人们只得临时设立“袋鼠法庭”来解决一些突发或紧急的争端事件。现在我们常用该词表示“所做裁决不够公正透明的法庭”。
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[3] 路易斯·巴斯德（1822—1895），法国微生物学家、化学家，近代微生物学和免疫学的奠基人。他首次证明发酵和腐败是微生物所致，进而否定了自然发生说，并确立了加温灭菌技术。
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[4] 马塞林·贝特洛特（1827—1907），法国化学家和政治家，首创合成有机化合物，推翻了一般人认为有机物有“生命力”的论点。
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[5] 蒂姆·亨特（1943—），英国生物化学家、分子生理学家，因发现细胞周期中的关键调节因子，他和利兰·哈特韦尔、保罗·纳斯一起获得了2001年诺贝尔生理学或医学奖。
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五堂极简生物课 五 生命的信息Life as Information
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