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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？ [:1700256290]
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·氧气与燃烧·
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那么，为了给我们的大脑提供充沛的能量，现在就请读者们深深地吸一口气吧，这将在你肺部的血液里溶入25毫升的氧气，而经过一整天的持续呼吸，一个成年人会从空气中摄取500升的氧气，足够灌满250个最大号的可乐瓶了——当然，氧气一旦溶解在血液里就不再占有如此巨大的体积，就像那么多的二氧化碳都溶解在可乐里也不会让可乐的体积有什么明显的变化。至于这些氧气的用途，聪明些的孩子也能不假思索地答出来：
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用来“燃烧”我们从食物中获取的有机物，比如吃面包获取的葡萄糖。这将给我们的生命活动提供能量，就像燃烧汽油会给发动机提供能量一样。
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这种给孩子的措辞，即将呼吸作用看作缓慢的燃烧，是现代化学之父拉瓦锡的首创。他在1778年左右提出燃烧就是可燃物与助燃物剧烈反应的发光发热现象，并在1779年确定了空气中的助燃物就是氧气。随后，他又与拉普拉斯[1]合作研究，确定了呼吸作用是有机物与氧气反应，生成水和二氧化碳，并释放热量的反应——这一创举标志着近代化学的开端。
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在拉瓦锡的想象里，呼吸作用就是血液在肺部与空气接触，真的缓慢地燃烧起来，然后再把燃烧产生的“热”送到全身，推动各项生理活动。
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拉瓦锡能有这种奇幻的想法并非偶然。在18世纪，工业革命正蓬勃兴起，在锅炉里燃烧木柴和煤炭，爆发出巨大能量的蒸汽机给拉瓦锡留下了深刻的印象，燃烧与做功的关系被拉瓦锡直接挪用到生命上[2]。而且在那个时代，化学的基础理论还没有成型——要不然拉瓦锡怎么能成为“现代化学之父”呢？——当时的人们连物质和能量都分不清。
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1789年，拉瓦锡出版了《化学基本教程》，在第192页给出了人类第一张元素表，“光”和“热”赫然与“氧”和“氢”并列在同一组里。因为他想象的“热”传遍全身真的就是一种被称为“热”的物质流遍全身，这当然是大错特错——不但热不是元素，有机物中的能量也不能以燃烧那样剧烈的氧化还原反应释放出来，否则生命将被瞬间烧死，细胞必须以最细水长流的方式，将有机物里的氢一点一点地氧化掉，把能量一点一点地释放出来。[3]
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图2—9 拉瓦锡元素表的第一组元素。左边标明的是“存在于自然界一切领域之中，组成了组成身体的元素”，中间从上到下依次列出了光、热、氧、氮、氢。注意其中的第二项“热”（Calorique），这就是食物中的热量被称为“卡路里”的由来。右边标注的是历史上的各种称呼。另外，下面依稀露出半行的是第二组“可氧化为酸的非金属元素”中的第一个——硫，它在我们的故事里也有重要的地位。
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正确的版本我们要在中学才开始掌握：在肺泡壁上，氧气与红细胞里的血红蛋白结合，然后随着血液循环抵达全身，在组织中释放出来，与各种有机物，尤其是食物中的糖，一同进入每一个活着的细胞。在那里，它们会循序渐进地、一步一步地发生氧化还原反应，把那些足以烧死细胞的巨额能量拆成几十上百份，分装成一种被称为“腺苷三磷酸”的物质，也就是高中生物课上常说的“ATP”，再一点一点运走，扩散到整个细胞里。
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在那之后，这些ATP就会分赴各项生化反应的前线，把其中的能量释放出来，支持我们的各种生理活动了——我们那些千变万化的生命活动，小到胃黏膜上皮把一个钠离子送出细胞，大到去健身房举起一副杠铃，又或者读这本书时大脑里发生的神经活动，我们消耗的各种“能量”，统统由ATP的水解反应释放出来。
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对于那些关心ATP究竟怎样给生化反应提供能量的读者，这一章结束后的“延伸阅读”部分会有通俗的介绍。但眼下，我们更该关心ATP的来源。
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如果说把空气吸入肺脏再吐出来是人体的呼吸，那么这个分步氧化的过程就叫作“细胞呼吸”。细胞呼吸给几乎所有的生命提供了能量，所以要探索生命的起源就必须弄懂它。而要弄懂细胞呼吸，显然就要弄懂有机物和氧气是怎样一步一步地发生氧化还原反应，再把能量分装在ATP里面。
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高中生物课本已经讲述了一个梗概：以葡萄糖为例，在细胞内，它并不是直接与氧气反应，而是先要在细胞质内发酵，变成一种被称为“丙酮酸”的物质，并释放一些能量出来。
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这种发酵是葡萄糖释放能量的第一步，并不需要氧气。在一般温度下，如果没有恰当的氧化剂，任何有机物都不可能彻底分解成水和二氧化碳。如果一直没有氧气，某些细胞还会把发酵出来的丙酮酸继续转化成别的物质。比如我们持续剧烈运动时感到肌肉酸痛，就与丙酮酸转化成的乳酸有关；我们用酵母菌发面酿酒，也是因为酵母菌能把丙酮酸转化成酒精。
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图2—10 丙酮酸的分子结构。这是一种只含有3个碳原子的很简单的有机物。（作者绘）
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然而这一步释放的能量非常少，1分子葡萄糖发酵成2分子丙酮酸，只能产生2分子ATP，绝大多数能量还都留在发酵产物中——想想看酒精点燃时的熊熊火焰吧，那都是酵母菌没能充分利用的能量。
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酒精能在燃烧中释放出大量的能量，是因为有氧气来氧化它。同样，人体要把丙酮酸里的能量释放出来，也必须有氧参与，而这将会发生在一种最精致的细胞器里面。
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这种“最精致的细胞器”就是我们在高中生物课上认真学习过的“线粒体”。在胶囊状的线粒体内部，2分子丙酮酸会被氧气充分氧化，彻底转换成水和二氧化碳，由此释放出许多的能量，分装在36分子ATP里面，整个细胞呼吸也就大功告成了。
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线粒体的工作效率高得惊人，数量也多得惊人——按体积计算，你的骨骼肌有10%的体积都是线粒体，肝脏有20%的体积是线粒体，而心肌可能有多达40%的体积都是线粒体。成年人每秒钟可以合成9×1020个ATP分子，一天就能循环制造65千克的ATP，所以，人体组织的平均产能效率竟然达到了2W/kg。而太阳核心氢聚变的产能效率也不过0.00184W/kg，所以如果能凑齐太阳核心那么重的人体组织，并且维持它的活性，那就相当于1 000多颗太阳同时辐照，耀眼的光辉足以匹敌一颗蓝巨星了[4]。
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乍看起来，这是那样地理所当然，那样地水到渠成，但如果继续追究线粒体内部发生了什么，我们就会困惑地发现事情根本不是这样简单：丙酮酸是如何被一步步地氧化干净，变成水和二氧化碳，这整个过程到20世纪50年代都已经被人类弄明白了，但这个明明白白的过程竟然无法解释那么多的ATP是怎么合成出来的！
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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？ [:1700256291]
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·三羧酸循环·
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