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我们总是想沐浴在阳光下,是因为我们与太阳都在闪光。
你可能不知道,你的能量和光亮,在效率上远胜过太阳。
第二章 左右生命的力量:质子动力与生命起源
线粒体生成能量的方式是生物学中最奇妙的机制之一。它的发现可与达尔文或爱因斯坦的伟业比拟。线粒体泵送质子穿过膜,在数奈米的距离之间,产生相当于一次闪电的电压。这些质子动力被生命的基本微粒(一种位在膜上,形状像蘑菇的蛋白质)导引用来生成能量,并以ATP的形式输出。这项基本机制对生物的重要性就像DNA一样,它还指引我们洞悉地球上的生命起源。
能量与生命携手共进。如果停止呼吸,你就无法生成生存所必需的能量,并会在几分钟之内死亡。好,请你继续呼吸。现在你吸入的氧气正被运送到全身几乎每一个细胞(约有一兆五千亿个),在那里,氧气透过呼吸作用,被用来燃烧葡萄糖。你的身体是具机器,它耗费的能量超乎你的想像。甚至当你舒适地坐在那里时,身体每单位质量每秒转换能量的速度也高达太阳的一万倍。
听来很难以置信吧!如果要以温和一点的方式表达,就让我们来研究一下数字问题。太阳的亮度约是4×1026瓦特,而其总质量是2×1030公斤。在太阳的预估年限(约一百亿年)之中,每克的太阳成分会制造约六千万千瓦的能量。然而这些能量不会一口气爆发出来,而是缓慢而稳定的产生,提供速率均匀而长久的能量输出。在任一时刻,巨大的太阳中只有一小部分的质量参与核融合,而且这些反应只发生在致密的核心部分。这就是为什么太阳可以燃烧得如此之久。如果你将太阳的亮度除以它的质量,每克的太阳质量可分到约万分之二毫瓦,也就是每秒每克千万分之二焦耳(○.二微焦耳/克/秒)的能量。现在,假设你的体重是七十公斤,如果你跟我一样,那你每天会吃进大约一万两千六百千焦耳(约等于三千卡)的食物。这些能量的转换平均分给体重,是每秒每克二毫焦耳(二毫焦耳/克/秒),或约是每克二毫瓦——这个数字是太阳的一万倍。有些耗能的细菌,如固氮菌属的成员,生产力高达每秒每克十焦耳,是太阳的五千万倍。
就细胞的显微层次来说,所有的生物都是生气勃勃的,就算是外观看来固着不动的植物、真菌和细菌也是如此。细胞像机器一般嗡嗡运转,导引能量用来处理特定的任务,不管任务内容是移动、复制、建造细胞材料,还是泵送分子进出细胞。细胞就像机器一样,充满活动的零件,而零件要靠能量才能活动。无法自行产生能量的细胞很难和无生物作出区别,至少在哲学上很难。病毒「看起来」像活物,只是因为可以从它们的组织方式看得出经过设计的痕迹,但它们的地位暧昧地介于生物和非生物之间。它们拥有复制自己所需的一切资讯,但是直到感染某个细胞之前它们都必须保持无生命状态,因为它们得利用受感染细胞的能量和细胞装置才能自我复制。这意味着病毒不会是地球上第一个有生命的东西,它们也不可能把生命从外太空带到这个星球上的:它们完全仰赖其他的生物,没有其他生物它们不可能存在。它们的单纯不是因为原始,而是一种精炼的,删减过的复杂。
尽管生物能对生命的重要性显而易见,它获得的关注却远低于它应得的。在分子生物学家眼里,讯息就是生命的一切。讯息被编写在基因上,成为建构蛋白质、细胞和个体的说明书。基因的材料,DNA的双股螺旋,是这个讯息时代的象征符号,发现这个结构的华生与克里克,则是家喻户晓的人物。基因之所以会得到如此的地位,综合了个人面、实际面和象征面的因素。克里克和华生杰出又耀眼,如魔术师般泰然自若地揭开了DNA结构的面纱,华生记述这段发现的知名着作《双螺旋》定义了一个时代,改变了一般大众对科学的理解;他也从此成为一名热情而直言不讳的基因研究鼓吹者。在实际面,定序基因密码使我们得以将自己和其他物种做比较,得以窥看自己的过往,以及生命的故事。人类基因体计画的成立是为了揭开人类疾病中还未发现的秘密,基因疗法则为受遗传性疾病所苦的人们带来一线光明。然而最重要的是,基因是个有力的象征。我们可能会争论天性还是教养孰轻孰重,并抵抗基因的力量;我们可能会担心一些现象,像是基因改造作物,复制生物的弊病,或是订制的婴儿;但不管这些事情是对是错,我们会忧虑是因为我们发自内心深深知道,基因很重要。
或许是因为分子生物学对于现代生物学太过重要了,轮到生命的能量时我们就只有口头上承认它重要,就像我们也承认工业革命是现代这个讯息时代不可或缺的前导。电力对于电脑运作的重要性这么明显,这个观点太平凡了,几乎不值一提。电脑很重要是因为它的资料处理能力,而不是因为它是电子产品。我们可能只有在电池没电时会珍惜电源的重要性。同样的,能量必须供应细胞所需,相当重要,但细胞内的讯息系统控制它,应用它,它分明只是陪衬。没有能量的生命就是死亡,但不受讯息控制的能量,破坏性可能等同一座火山、一次地震,或是一场爆炸。但真的是这样吗?来自太阳,赋予生命的大量光线说明未受控制的能量未必是灾难。
相对于我们对遗传学的忧虑,我怀疑有多少人费心想过生物能学的不良影响。它所使用的术语简直就是过去苏联的那套蒙蔽主义用语,跟巫师长袍一样,覆满神秘的符号。即使学生有志研习生物化学,看到「化学渗透学」和「质子驱动力」这类的术语也会却步。虽然这些观念造成的影响比起遗传学可能不遑多让,但大家对此几乎一无所知。米歇尔,生物能学的英雄,一九七八年诺贝尔化学奖得主,远远称不上家喻户晓,尽管他应该要像华生和克里克一般知名。米歇尔和华生与克里克不同,是位古怪而孤独的天才,他将自己的实验室设在康沃尔乡间,一座由他自己设计,自己修复的老房子里。曾有一段时间,他部分的研究资金来自他靠一群奶牛所赚得的收入,他的鲜奶油甚至还因品质优良得过奖。他的文笔比不上华生的《双螺旋》——除了依常规进行的枯燥学术论文(米歇尔写的甚至可能比一般论文更晦涩),他还写了两本《小灰书》阐述他的理论,由他私人出版,并在一些感兴趣的专业人士之间流传。他的想法无法像双螺旋那样,包装成引人注目的象征符号,唤醒大众对科学的重视。但是多亏米歇尔阐释并证明生物学最伟大的真知灼见,才颠覆了长久以来的想法,掀起一场真正的(并且奇异的)革命。正如杰出的分子生物学家欧尔格所言:「继达尔文之后,生物学界再也没有出现过这么违反直觉的想法,其程度直逼爱因斯坦、海森堡和薛丁格……他的同代人很可能会问:『你说真的吗,米歇尔博士?』」
本书的第二章,大致上是米歇尔关于生命生成能量方式的所见所得,以及这些想法所隐含的,有关生命起源的提示。在接下来几章中,这些想法会帮助我们看见线粒体为我们做了什么:为何它们是高等生命形式演化的基本要件。我们将会看见,正是这种能量生成的机制左右着生命:它限制着那些开放给生命的机会,并在细菌和真核细胞身上造成了完全不同的结果。我们会看见,正是能量合成的机制让细菌永远只会是细菌,排除了它们演化成复杂多细胞生物的可能性;同时它却给予真核生物无限的可能性,允许它们变得更大更精细,推动它们爬上通达复杂性的斜坡,成就我们身边的这些奇迹。但这个机制同样也束缚着真核生物,尽管方式完全不同。我们将会看到,同样的这个产能形式也造成了限制,而这些限制解释了性甚至是两种性别的起源。除此之外我们还会看到,我们晚年的衰退,老化与死亡,也写在二十亿年前我们与线粒体签订的合约上。
若要了解这一切,我们首先必须领会米歇尔的生物能量见解的重要性。只看梗概的话,他的想法再简单也不过了,但如果想感受这些想法的真正力量,需要更深入理解细节。为了要做到这点,我们将采取历史的角度切入,走进人人都是诺贝尔奖得主的生物化学黄金年代。而当我们循路前进,就能感受到那些难题,以及与之搏斗的卓越人才。我们将会沿着这条熠熠生辉的发现之路,看见细胞怎么能产生这么多的能量,连太阳都为之失色。
2024-07-06 16:34:44
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