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五堂极简生物课 [:1700270914]
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混乱中的秩序Order from Chaos
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大多数人看待周围的世界时，会将其粗略地分成两大类：一类是有生命的，另一类是显然没有生命的。有生命的生物体之所以能突显出来，是因为它们会行动：所有动作都有目的性，能对环境做出反应，能自我繁殖。这些特征，没有生命的东西都没有，比如一块鹅卵石、一座山或一片沙滩。事实上，如果我们退回到几百年前，也就是本书阐释的诸多思想出现和发展之前，我们很可能会相信地球上的生命是由一种专属于生命体的神秘力量指引的。
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这种想法被称为“活力论”，最早可追溯到古代思想家亚里士多德和盖伦（Galen）[1] ，甚至可能更久远。即便是最具理性、最讲求科学的人，也很难彻底抛弃这种思维方式。假如你见过一个人如何死去，就会明白那看起来真的很像不可名状的生命火花突然熄灭了。
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我们的思想难以把握生命的真谛，所以，活力论这种解释很有吸引力，似乎能抚慰人心。但现在我们可以肯定地说：不需要动用任何形式的魔法。大部分有关生命的问题都能用物理和化学方法得到充分诠释，尽管所涉及的是一种不太寻常、高度有序、井井有条的化学形式，其复杂程度是任何无生命的存在所无法企及的。比起相信生命是由超越科学的神秘力量指引的，我反而认为这种诠释更令人惊叹。
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生命就是化学反应，这种让人惊讶的想法最早起源于对发酵的研究：在啤酒和葡萄酒的生产过程中，简单的微生物酵母菌制造出了酒精。这对人类来说是一种存在已久的福祉。
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事实上，这也大大造福了我本人的生活，不仅因为我喜欢喝啤酒，还因为我很享受在傍晚时分，独自坐在空荡荡的酒吧里凝视这个世界。17岁高中毕业时，我知道自己想学生物，却没能考上大学。当时，所有本科学位资格考试里都有一项强制性的必考科目：O-level外语基础考试，但我的法语考试竟然一连六次不及格，很可能是O-level史上的不及格次数的最高纪录！所以我没考上大学，转而去了一家啤酒厂的微生物实验室当技术员。
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我每天的工作之一就是把科学家们培养微生物所需的所有含营养成分的材料混合在一起。我很快就发现，他们几乎每天都会下同样的订单，所以，我可以在周一做一大批，足够供应一整个星期。我去见了老板维克·克尼维特（特别提一下，他在工作之余是个格鲁吉亚舞的舞者。有一天晚上，我突然看到他在实验室里的一张长椅上大跳活力四射的哥萨克式踢腿舞，这才发现了这件事！），他慷慨地建议我去试试沙门氏菌感染鸡蛋的研究项目。当时，18岁的我极度兴奋，每天都在做实验，假装自己是一个真正的科学家。
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在酿酒厂的那一年里，有位好心的伯明翰大学教授打电话给我，让我去面试，并最终说服了校方忽略我在外语方面的不足，于是，我从1967年开始攻读生物学学位。讽刺的是，虽然我早年在外语上跌了不少跟头，可谁能想到，35年后，我因对酵母的研究被法国总统授予了法国荣誉军团勋章。我甚至不得不用法语发表获奖感言！不过，我研究了大半辈子酵母，却从未亲手酿过一滴葡萄酒或啤酒。
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最早开始对发酵进行科学研究的人是18世纪的法国贵族兼科学家安托万·拉瓦锡（Antonie Lavoisier），他是近代化学的创始人之一。不幸的是——对他来说很不幸，对整个科学界来说也很不幸——他兼职收税员的身份让他在1794年5月的法国大革命中掉了脑袋。袋鼠法庭[2] 的法官判处他时说：“共和国不需要学者和化学家。”显然，我们科学家可得小心对待政治家！政客们，尤其是那些有平民主义倾向的政客，有一种令人遗憾的倾向，那就是忽视“专家”，尤其是用专业知识驳倒他们那些空口无凭的观点的专家。
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时运不济的拉瓦锡上断头台前曾对发酵过程非常着迷。他曾下结论说：“发酵是一种化学反应，在这种反应中，葡萄汁里的糖分被转化为成品葡萄酒里的乙醇。”以前没有人这样想过。拉瓦锡还进一步提出，有一种似乎源自葡萄本身的叫“发酵”的东西在化学反应中起到了关键作用。然而，他无法说清“发酵”到底是什么。
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半个世纪后，发酵的谜团才被解开。工业酒精制造商为了解开一个谜团，跑去向法国生物学家、化学家路易斯·巴斯德（Louis Pasteur）[3] 求助：为什么有些产品会制作失败？他们想知道，为什么甜菜浆发酵有时会出问题：没有产出乙醇，反而产生一种难闻的酸味？巴斯德解开这个谜团的方法有点像侦探。在显微镜的帮助下，他获得了关键线索：生产酒精的发酵桶中的沉淀物里含有酵母细胞。那些酵母菌显然是活着的，因为其中一些已发芽，表明它们正在活跃地繁殖。但当他观察酸化的发酵桶时，却连一个酵母细胞都看不到。靠这些简单的观察，巴斯德指出，以微生物形式存在的酵母菌就是神不知鬼不觉导致发酵的东西，是负责制造乙醇的关键因素。导致酸化、因而毁掉整个批次的是其他一些微生物，很可能是某种更微小的细菌。
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这个结论的重点在于：活细胞的生长直接导致了某个特定的化学反应。酵母细胞就是在这个过程里，将葡萄糖转化成了乙醇。巴斯德的最大贡献是举一反三，他从具体个案引申出了普遍规律，得出了一个重要的新结论。他认为，化学反应不仅是细胞生命中一个有趣的特点，而且是生命的决定性特征之一。对此，巴斯德做出了精辟的概括：“化学反应是细胞生命的一种表现。”
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我们现在已经知道，在所有生物体的细胞内有数百甚至数千种化学反应同时发生。这些反应构建了生命的分子，形成了细胞的成分和结构；它们同样也能分解分子，回收细胞成分，释放能量。所有这些在生物体内发生的化学反应共同作用，就叫新陈代谢。生物体的一切机能——维持、生长、组织、繁殖，以及为这些过程提供动力的所有能量的来源——都以新陈代谢为基础。新陈代谢就是生命的化学反应。
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但是，构成新陈代谢的千变万化的化学反应是如何引发的呢？在巴斯德研究的酵母里，究竟是什么物质执行了发酵的化学反应？另一位法国化学家马塞林·贝特洛特（Marcelin Berthelot）[4] 对这一谜团展开了深入研究，并取得了进展。他粉碎了酵母细胞，从残渣中提取出一种化学物质。这种物质的表现非常有趣，它引发了一种特殊的化学反应——将蔗糖转化为两种较小的糖类成分：葡萄糖和果糖——自身却没有被化学反应消耗掉。它是一种无生命的物质，却是生命过程中不可或缺的一部分，值得注意的是，即便把它从细胞中提取出来，它还能继续工作。他把这种新物质称为转化酶。
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转化酶是一种酶。酶是催化剂，也就是说，它们能促进和加速化学反应，效果通常很显著。它们对生命来说极其重要。要是没有酶，许多对生命来说至关重要的化学反应都无法发生，尤其是在大多数细胞内温度相对较低，条件也很温和的情况下。酶的发现为当今所有生物学家的共识奠定了基础，即大多数生命现象都可以被理解为由酶催化的化学反应。为了了解酶是如何做到这一点的，我们首先要了解酶是什么，以及酶是由什么构成的。
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大多数酶是由蛋白质构成的，而蛋白质是由细胞构建的、被称为聚合物的长链状分子。聚合物结构对生命的化学反应的每个环节都非常重要。和大多数酶以及所有其他蛋白质一样，构成细胞膜的所有脂质分子、所有储存能量的脂肪和碳水化合物，以及负责遗传的核酸——脱氧核糖核酸（DNA）和与之密切相关的核糖核酸（RNA），都是聚合物。
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这些聚合物基本上都是由五种化学元素的原子构成的：碳、氢、氧、氮和磷。在这五种元素中，碳的角色尤其重要，主要是因为相较于其他元素，碳元素更通用。比如氢原子只能连接一个原子——一个化学键，而每个碳原子可以与四个原子相结合。碳元素形成聚合物的关键就在于此：碳的四个潜在键中的两个可以连接另外两个原子，且通常连接的是别的碳原子，从而形成一个原子链，成为一个聚合物的核心。这样一来，每个碳原子都还有两个多余的键可以与其他原子连接。这些额外的键可以将其他分子添加到主聚合物链的两侧。
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我们在细胞中发现的许多聚合物都是非常大的分子，事实上，它们大到被冠以一个特定的、直白的名字：大分子。若要了解这些分子到底有多大，请先记住，你的每条染色体核心的DNA大分子可以长达几厘米。这意味着它们将数百万个碳原子整合成了一条长得惊人却纤细的线状分子。
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蛋白质聚合物没有那么长，一般都是以几百到几千个相连的碳原子为基础。但是，它们的化学变化比DNA多得多，这就是它们能作为酶在新陈代谢中起主导作用的主要原因。每一种蛋白质都是由较小的氨基酸分子一个接一个连成长链而构建出的碳基聚合物。比如转化酶，它是由512个氨基酸以特定序列连接在一起而构成的蛋白质分子。
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生命体使用了20种不同的氨基酸，每一种氨基酸都有从主聚合链上分支出来的侧链分子，从而具有不同的化学特性。例如，有些氨基酸带有正电荷或负电荷，有些氨基酸亲水或排斥水，有些氨基酸能够轻易地与其他分子形成键。每个氨基酸有不同的侧链分子，细胞将这些氨基酸组合并串起来，就能创造出数量惊人的不同的蛋白质聚合物分子。
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这些线性蛋白聚合物的长链被串起来后，就会折叠、扭曲并结合在一起，构建出复杂的三维结构。这个过程就像一段有黏性的胶带可以把自己裹成一个错综交织的球，只是蛋白质的折叠过程可重复且结构更精准。在细胞中，同一串氨基酸总是试着形成同一种特定形状。这种从一维到三维的飞跃意义非凡，因为这意味着每个蛋白质都有独一无二的物理形态和独一无二的化学属性。其结果就是，细胞可以用这样的方式构建酶，因此这些酶可以与其影响的化学物质极其精确地结合在一起——比如转化酶的局部能和蔗糖分子完美结合。这反过来又使酶能为特定的化学反应提供它所需要的精确化学条件。
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几乎所有构成细胞新陈代谢基础的化学反应都是由酶完成的。但是，除了构建分子、分解分子之外，它们还发挥着许多其他作用。它们是质量监控者，也是转运者：在细胞不同区域间传递成分和信息，并将其他分子送入或送出细胞。还有些酶始终在留意入侵者，激活保护细胞的蛋白质，从而使我们的身体免受疾病的侵害。酶并不是唯一的蛋白质。我们身体的每个部分——从头发到胃酸，再到眼睛里的晶状体——几乎都是蛋白质做的，或是由蛋白质构建而成的。所有这些独特的蛋白质都经过了进化千万年的千锤百炼，才能在细胞内完成特定的功能。哪怕只是一个相对简单的细胞也包含了海量的蛋白质分子。在一个小小的酵母细胞中共有超过4000万个蛋白质分子，换言之，一个微不足道的细胞中的蛋白质数量就相当于北京这样的巨型城市人口数量的两倍！
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蛋白质极富多样性，因此每一个细胞内时时刻刻都好似涌动着一个巨大的化学反应的旋涡。如果你能想象自己有一双能感知分子世界的眼睛，在观看一个活体细胞的内部，那么化学活动沸腾的骚乱将给你的感官带来巨大冲击。其中有些分子带电，会产生吸引力或排斥力，而其他分子则不带电。有些是酸性的，有些是类似漂白剂的碱性。所有物质都在不停地相互作用，随机碰撞或按部就班地进行。有时，分子通过电子或质子的快速交换，短暂地聚集在一起，发生化学反应。还有些时候，分子通过形成紧密而持久的键保持化学关联。总的来说，细胞中持续进行着成千上万种化学反应，以维持生命。即使是最大规模的化工厂里发生的化学反应的数量也会相形见绌。毕竟，一家塑料厂里大概只需要几十种化学反应。
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