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·调转方向·
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回到ATP合酶的进化主干上来。最初的移位酶只有ATP合酶的轮子和碾子，还差架子和棍子，而当移位酶开始运送蛋白质，进化成了最简单的分泌系统，这四件基本结构就可以悄悄集齐了。
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架子当然是最早出现的。因为轮子和碾子要协同工作就需要对准位置，就需要一个另外的蛋白质辅助它们定位，这个另外的蛋白质可能就是未来的架子。至于这个架子要怎么辅助定位，那是第十八章里讲述过的内容：生物大分子的表面之间可以发生各种各样的相互作用，比如静电作用就是非常强大的一种，足以把不同的蛋白质牢牢粘在一起——请先记住这件事，我们马上就会提起它。
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至于棍子，想想看，如果轮子中央的通道发生了一点儿突变，不那么“光滑”了，或者如果碾子分泌了一束不太顺溜的蛋白质，会怎样呢？那根蛋白质就很可能把那个通道堵住，然后就变成那根棍子了。
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与此同时，碾子还什么都不知道，它毕竟只是一团蛋白质而已。它兀自水解着ATP，坚持要用这份能量扭动那根棍子，试图把棍子从通道输送出去。但棍子已经卡死在通道里，结果大力出奇迹，就像改锥扭动螺丝那样，整个轮子都被棍子带着转起来了。
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啊，这就有趣了！
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如果你看过第五章的第三篇“延伸阅读”，就会知道那个轮子能够被氢离子推动，诀窍就是轮子表面有一些带负电荷的“空穴”，与之对应的架子上又有一个带正电荷的“门控”（参见图2—33）。库宁提出，这种电荷分布，本来是把架子与轮子结合起来的静电作用。
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这就让我们遇到了又一件微妙的事情：那个轮子其实不是一个完整的蛋白质，而是同一个楔形的蛋白质重复了10来次，拼成了一个轮子，这也是轮子上的空穴能够分布得那样均匀的原因。但是架子就没有那么大，只能凭借正电荷固定住局部几个空穴，其他空穴就只能自己想办法平衡电荷了，而细胞膜附近的氢离子正是一个极好的选择。
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看来，在原始的分泌系统成为ATP合酶之前，就已经拥有了图2—33的基本样貌了。那么，当整个轮子都被那根棍子强行推着转起来，事情又会变成什么样呢？
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会变成图2—33的倒放。
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是呀，在图2—33中，是氢离子推动轮子，带动棍子，搅动碾子，最后合成了ATP，而如今是ATP水解，错动碾子，扭动棍子，转动轮子，的确是倒放。也就是说，ATP合酶刚刚出现的时候，并不是在利用跨膜氢离子梯度生产ATP，恰恰相反，它在消耗ATP，泵出氢离子！
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实际上，我们一直未曾谈到的，就是即便在今天的细胞里，都是既有一些ATP合酶负责合成ATP，也有一些ATP合酶负责泵出氢离子。比如真核细胞就同时拥有这两种ATP合酶：前者存在于线粒体内，也就是第五章里讲述的那种ATP合酶，我们称它为F型ATP合酶；后者则存在于高尔基体、溶酶体、液泡等细胞质的膜系统上，被我们称为V型ATP合酶。[5]V型ATP合酶能在这些膜结构的腔体内注入大量的氢离子，营造出极端的强酸环境，分解掉各种不需要的物质，包括入侵细胞的细菌和病毒。甚至在某些细菌体内，还有一些ATP合酶不一定往哪边转，氢离子梯度大就合成ATP，ATP富余就泵出氢离子，像墙头草一样。
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可见，一个原本消耗ATP的氢离子泵，只要调转方向，改成被动地受氢离子梯度驱动，就能立刻变成我们寻求的ATP合酶了。总体上讲，库宁构造的ATP合酶起源图景到这里就结束了，但这幅精致的图景却与上一章里现代细胞膜的起源图景有些对不上：威廉·马丁和尼克·莱恩都认为ATP合酶的成熟要早于逆向转运蛋白的出现，但如果ATP合酶的确如尤金·库宁推测的，最初负责泵出氢离子，那么最初的ATP合酶就不能给共祖带来适应优势，因为上一章刚刚说过，在逆向转运蛋白出现之前，共祖的细胞膜根本没有足够的密闭性，所以最初的ATP合酶即便能够泵出氢离子也会立刻漏回来，竹篮打水一场空。
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所以，我们会在这里提出一种简单的解释，把这两幅图景折中地结合起来：ATP合酶起源于末祖，但是在细菌和古菌分野后才进化成熟的。
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更具体地说，ATP合酶起源图景的前半部分，也就是轮子和碾子组成蛋白质分泌系统的部分，应该发生在逆向转运蛋白出现之前，因为这两部分在所有生命体内都一样，更可能是共祖的特征；后半部分，也就是架子和棍子出现，ATP合酶开始泵出氢离子的事情就出现得晚一些，因为古菌和细菌的架子有很多差异，未必有相同的来源，尤其是棍子，它在细菌和古菌的细胞内差异非常大，明显对不上号。有了这个解释，我们就可以把ATP合酶调转方向的经过推测得更加清晰了。
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起先，ATP合酶能够进化成氢离子泵，正是逆向转运蛋白带来的间接结果。因为逆向转运蛋白用钠离子打破了僵局，细胞膜开始变得更加密闭，把细胞膜内侧的氢离子泵出到细胞膜外侧就既有需要也有必要了，而这个倒转的ATP合酶，刚好就能完成这项任务。
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虽然我们看着会有一点儿可惜，但对于当初的末祖来说，这种消耗ATP的氢离子泵却用着很划算：因为跨膜氢离子梯度是白烟囱里的天然存在，白来的，由此驱动乙酰辅酶A路径，制造乙酰磷酸，也是白来的，而乙酰磷酸直到今天都可以在各种细胞里直接转化成ATP，所以末祖的ATP仍是白来的。因此，使用一部分白来的ATP，增强跨膜的氢离子梯度，制造更多的有机物，当然是项合理的花销。
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随后，ATP合酶进化得逐渐精致，也就有了调转方向的条件。
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一方面，从“能力”上讲，ATP合酶是最初作为氢离子泵而诞生的，当时的轮子和架子想必不会像今天这样配合得天衣无缝，氢离子与轮子的结合能力就会比较弱，跨膜氢离子梯度中蕴藏的巨大能量就会使不上劲。所以在这整个动力系统中，是早已相当成熟了的碾子占据了主导的地位，让它消耗ATP，泵出氢离子。
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但是，随着轮子与架子进化得越来越匹配，就可能有一些微小的突变让轮子与氢离子结合的能力大大增强，跨膜氢离子梯度也就爆发出巨大的潜力，开始像图2—33那样推动轮子转动，逆转一切，氢离子泵也就变成了真正的ATP合酶。
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打个比方，作为氢离子泵的ATP合酶就像是在努力划桨，逆风行船，而真正的ATP合酶就像在这船上挂了一面大帆，当然就会顺着风掉头回去了[6]。
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把君诗卷灯前读，诗尽灯残天未明。
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眼痛灭灯犹暗坐，逆风吹浪打船声。
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——白居易，《舟中读元九诗》，或许还有午夜埋在论文堆里的这本书的作者
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对此构成佐证的，正是我们刚刚提到的，今天的细胞内有许多种不同功能的ATP合酶，有的负责泵出氢离子，有的负责合成ATP，而比较了这些ATP合酶的差异后，我们果然发现轮子与氢离子的结合能力就是它们转动方向的决定因素。XI
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