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活着就是在燃烧。

所有活着的都使用同一种能量货币，所以我们才看得到彼此的光。

第四节 呼吸作用的意义

形而上学者和诗人一直以来都很热心于描写生命之火。十六世纪的炼金术士帕拉赛尔苏斯甚至明确地说：「人就像火焰一样，失去了空气便会熄灭。」隐喻是用来说明真相的，我想这位炼金术士可能会瞧不太起现代化学之父拉瓦锡，因为拉瓦锡主张生命之火不只是隐喻，而是一把真正的火焰。拉瓦锡说，燃烧和呼吸是同一件事。他想表达的完全就是字面上的意思，无怪乎诗人老是抗议科学大煞风景。在一七九○年一篇送交法国皇家学院的论文里，拉瓦锡这么写着：

呼吸作用是碳与氢的缓慢燃烧过程，发生的事情就各方面来说都与一盏油灯或一支点起的蜡烛很相像，而就这个层面而言，正在呼吸的动物就是活泼的易燃物，燃烧着，并且逐渐消减……动物是靠血液这种物质运送燃料。如果动物没有靠着喂养自己补回它们在呼吸作用中失去的那部分，很快就会灯枯油尽，动物会凋亡，就像灯用尽了燃料就会熄灭。

碳与氢都是从食物中的有机燃料（例如葡萄糖）里提取出来的，因此在这一点上，拉瓦锡是对的，呼吸作用消耗的燃料确实要靠食物来重新填满。悲伤的是，他没能继续深入下去。四年后的法国大革命，拉瓦锡的联明脑袋断送在断送台上。贾菲在其着作《坩锅》一书中，对这桩罪刑派了一条「后世审判」，他说：「法国大革命中最严重的罪行不是处决了国王，而是谋害了拉瓦锡，如果你不曾体悟这个事实，就无法公正称量普世的价值（此处为双关，因为拉瓦锡的功绩之一便是制定度量衡）；因为拉瓦锡是出身自法国，排名前三或前四的伟人。」在一八九○年，革命发生的一世纪后，一座拉瓦锡的公共雕像揭幕了。不久后有谣传说这座雕像的脸雕塑的不是拉瓦锡，而是拉瓦锡死前那时的科学院秘书长孔多塞。务实的法国人认为「反正戴假发的男人看起来都很像」，决定保留这座雕像，直到二次大战时才被融掉。

虽然拉瓦锡革新了我们对呼吸作用科学本质的理解，但即使是他也搞混了作用发生的地点——他相信呼吸作用是当血流经过肺部时，于血液里发生的。事实上，经过大半个十九世纪，呼吸作用进行的地点还一直没有定论，直到一八七○年，德国生理学家普夫路格才终于使生物学家相信，呼吸作用发生在身体的个别细胞内，而且是所有活细胞的共通特质。但那时还没有人明确知道呼吸作用是在细胞中哪一个部分进行；一般相信是在细胞核。一九一二年，金伯利主张呼吸作用实际上是在线粒体进行，但这个想法直到一九四九年，甘乃迪与雷宁杰证明了呼吸作用的酶位于线粒体，才被普遍接受。

呼吸作用燃烧葡萄糖的过程是一种电化学反应，精确地说是氧化反应。根据今天的定义，物质失去电子，即是被氧化。氧气（O2）是一种强氧化剂，因为它在化学性上对电子极为「渴求」，往往会从别的物质身上提取电子，对象包括葡萄糖和铁。相反的，物质若是得到电子，就是被还原。氧气得到取自葡萄糖或铁身上的电子，因此可以说它是被还原成水（H2O）。请注意在形成水时，氧分子中的个别原子另外多带了两个质子（H+）以平衡电荷。于是整体看来，葡萄糖的氧化等于是两个电子与两个质子从葡萄糖转移到氧气身上——合起来便是两个完整的氢原子。

氧化以及还原的反应总是相伴出现，因为单独存在的电子并不稳定，所以一定要从别一个化合物提取它们。任何会将电子由一个化合物转移到另一个化合物身上的反应，都叫做氧化还原反应，因为两个搭档中的一个会被氧化，同时另一个则会被还原。生物所有的产能反应本质上都是氧化还原反应。氧气不是必需的，许多化学反应都是氧化还原反应，因为有发生电子的转移，但它们并不是全部会牵涉到氧。甚至连电池里的电流都可以被视作氧化还原反应，因为电子会由源头（渐渐被氧化）流至接收者（被还原）。

当拉瓦锡说呼吸作用是一种燃烧，或是氧化作用，在化学上他是正确的。然而，他犯的错误不只是误判了呼吸作用进行的位置，还搞错了它的功能：他相信呼吸作用是用来产生热（热在他想像中是种不间断的流体）。但显然我们并不是蜡烛。当我们燃烧燃料，我们并非单纯地将能量以热的形式释放，我们用它来跑，用它来思考，用它来制造肌肉，煮晚餐，做爱——用它来制作蜡烛当然也没问题。这些任务全部都可以被定义为「功」，因为它们都需要输入能量才会进行——它们不是自发性的。一直等到人们对能量本身有更深的理解之后，才明白是呼吸作用体现了这一切。到了十九世纪，能量这个概念才伴随着热力学出现。一八四三年，英国科学家焦耳与卡尔文勋爵提出了热力学的一大发现，即热和机械功可以互相转换——这也是蒸气机的原理。这项发现导致了一个涵盖范围更广的体认，也就是之后的热力学第一定律：能量可以在不同不甘形式之间转换，但不会被创造或是消灭。一八四七年，德国的医生兼物理学家冯亥姆霍兹将这个概念应用在生物学上，他让大家看到，透过呼吸作用从食物的分子释放出的能量，有一部分会被用来产生肌肉的力量。将热力学应用在肌肉收缩，这种机械性的观点在当时可说是慧眼独具，那还是个「生机论」当道的年代，一般人相信，我们之所以能活动，是因为某种化学无法仿造的特别力量，或是神灵所致。

这些新的，对能量的理解，最终帮助我们发现，分子的化学键上藏着潜在的「势能」，会在反应进行时被释放。有部分的能量可以被生物体捕捉下来，或说以另一种形式保存，并引导它们做功，例如用来收缩肌肉。因此我们不能说生物「生成能量」，尽管这样的用词很方便，我也已经犯了好几次规。当我说生物生成能量，我的意思是，将潜藏在葡萄糖等燃料的化学键里的势能，转换成生物能的「货币」，好让生物体可以利用这些力量做各式各样的功；换句话说，我的意思是「生成更多用来做功的货币」。现在，我们的故事就要转向这些能量货币。

细胞里的色彩

到了十九世纪末，科学家已经知道呼吸作用发生在细胞内，并且是生命每一个层面的能量来源。但大家都还在猜测它的实际作用方式——氧化葡萄糖所释放出来的能量，是怎么和生物的能量需求接轨？

葡萄糖显然不会在有氧环境自己燃烧起来。科学家说，在热力学方面氧的活性很高，但在动力学的层面则很稳定：它的反应速率不快。因为氧必须先被「活化」才能进行反应。活化靠的若非能量的输入（作用就像一支火柴），就是催化剂——这种物质可以降低反应发生的活化能。对于维多利亚时期的科学家来说，第一种参与呼吸作用的催化剂似乎都可能含有铁，因为铁对氧有很好的亲和力（铁锈就是这么形成的），而且它们对氧的结合又是可逆的。我们早就知道有种含铁且能与氧进行可逆性结合的分子，就是血红素，它是使红血球带上颜色的色素；而血的颜色提供了第一个线索，帮助我们厘清呼吸作用在活细胞内的实际作用方式。

血红素之类的色素之所以有颜色，是因为它们会吸收特定颜色的光线（某种波段的光，就像彩虹那样），并将其他的颜色反射出来。一个化合物吸收光线的模式图谱就是它的吸收光谱。当血红素与氧结合时，它们会吸收蓝色、绿色和黄色波段的光谱，反射出红色的光，这便是为什么我们会觉得动脉血是鲜红色的。在静脉的部分，氧气自血红素上脱离，吸收光谱就会改变。缺氧血红素的吸光范围横跨光谱的绿色区段，反射出红色和蓝色的光。静脉血因此会呈紫色。

有鉴于呼吸作用的发生位置在细胞内，研究人员开始在动物的组织里寻找类似血红素的色素。第一宗成功案例出自一名爱尔兰的执业医生，他的名字是迈克曼，他在空闲时间进行研究，地点是他马厩上方堆放干草用的阁楼。他习惯透过墙上的一个小洞监看走向屋子的病人，如果他不想被打扰，就会摇铃通知他的管家。一八八四年，迈克曼在组织中发现一种色素，其吸收光谱就像血红素一样会改变。他主张这种色素就是大家拼命寻找的「呼吸色素」，但不幸的迈克曼无法解释它复杂的吸收光谱，甚至无法证明光谱确实属于这个色素。他的发现就这样被默默地遗忘了。直到一九二五年，剑桥的一名波兰生物学家基林，重新发现了这个色素。根据各方的说法，基林是位卓越的科学家，一名鼓舞人心的演讲者，也是一位和蔼的人，他还强调自己的排名应逊于迈克曼之后。然而，基林的成就其实远远超过迈克曼的观察，他指出这个吸收光谱不单单属于一种色素，而是三种。这帮助他解释了那复杂的吸收光谱，迈克曼就是卡在这里。基林将这些色素命名为细胞色素（意思是细胞中的色素），并根据吸收光谱的波段位置，给它们编上a、b、c的编号。这些编号一直沿用至今。

奇怪的是，基林的细胞色素没有一个会直接和氧反应。这其中显然漏掉了什么。德国科学家沃柏格厘清了中间这个漏掉的环节，他因此赢得了一九三一年的诺贝尔奖。我之所以说厘清而不说找到，是因为沃柏格的观察方法并不直接，并且颇为巧妙。他有不得不如此的理由，因为呼吸色素不像血红素，它们在细胞中的含量非常之少，无法用当时现成的粗糙技术分离出来，直接进行研究。取而代之，沃柏格用到了一个古怪的化学性质，来弄清楚他口中的「呼吸酶」的吸收光谱：一氧化碳与铁化合物在黑暗状态下会结合，而受到光照时它们就会解离。结果他发现，这个光谱属于一种类似血红素和叶绿素（植物的绿色色素，在光合作用中吸收太阳光）的化合物，名为氯高铁血红素。

有趣的是，呼吸酶大量吸收光谱上蓝色部分的光线，反射出绿、黄、红色的光线。它呈褐色，不像血红素的红，或是叶绿素的绿。然而沃柏格发现，简单的化学变化就能让它变红或是变绿，拥有近似血红素或叶绿素的光谱。这使他产生了一些怀疑，他在他的诺贝尔演说中说：「血液色素和叶中的色素都是源自这个呼吸酶……因为，这种酶的出现很明显是早于血红素和叶绿素的。」他的发言暗示，呼吸作用的演化早于光合作用，这是一个具有预言意味的结论，为什么这么说呢？让我们继续看下去。

呼吸链

尽管有了以上的这些重大进展，沃柏格依旧无法掌握呼吸作用发生的实际状形。在他获颁诺贝尔奖时，他似乎倾向相信呼吸作用是种单一步骤的过程（一次释放绑在葡萄糖上的所有能量），而且他没办法将细胞色素放进这张大拼图里。在此同时，基林的脑中正孕育着一种呼吸链的概念。他想像氢原子，或至少是它的组成分（也就是质子和电子）被从葡萄糖上卸下，然后透过一连串的细胞色素，就像救火员传递着水桶，一个传一个，直到它们终于碰上氧气，反应形成水为止。这样系列式的小步骤有什么好处？如果你看过一九三○年兴登堡号灾难的照片，见识到这座史上最大飞船的末日，应该就能体会氢和氧反应所释放的能量可以大到什么程度。基林说，若将这个反应拆成几个中间步骤，就可以在每个步骤释放出少量的，易于控制的能量。这些能量可以稍后再用于肌肉收缩之类的工作（当时还不清楚是透过什么方式）。

基林和沃柏格在二○至三○年代维持着密集的通信，在许多细节上都意见相左。讽刺的是，沃柏格在三○年代发现了呼吸链中其他非蛋白质的化合物，反而提高了基林呼吸链概念的真实性。他发现的那些化合物，我们今天称之为辅酶。沃柏格因为这些新发现，在一九四四年获颁他的第二座诺贝尔奖，但因为他的犹太人身分，希特勒不准他受奖（尽管希特勒确有受到沃柏格的国际名声左右，而没有将他监禁，或是使他陷于更坏的处境）。可惜的是，基林本人对呼吸链构造及功能影响深远的洞察力，从未获得诺贝尔奖的肯定，这实在是诺贝尔委员会的疏失。

拼上了所有这些讯息后，完整的图像便在我们眼前展开了。故事是这样的：葡萄糖被降解成较小的片段，然后被送进一系列彼此相连的化学反应旋转木马——克式循环。这一串反应将它们的碳原子和氧原子剥下来，剩下二氧化碳最后被当作废物排出。被剥下来的氢原子与沃柏格的辅酶结合，进入呼吸链。在那里，氢原子会被拆成电子和质子，两者之后将会走上不同的道路。质子的部分我们稍后再来关心；现在，我们把焦点放在电子身上。电子靠着一系列电子载体的传递，一路走完整条呼吸链。每个电子载体依序被还原（得到电子），然后又被呼吸链上的下一棒氧化（交出电子）。这表示，呼吸链形成一系列相连的氧化还原反应，它的运作模式就像一条迷你电线。电子沿着这条电线，从一个电子载体流到一下个电子载体，一路传送下去，速度大约是每五到二十微秒一颗电子。呼吸链上的每个氧化还原反应都是放热反应，换句话说，每个反应都会释放能量，可以用来做功。在最后的步骤，电子从细胞色素c交棒到氧气手上，并且在此和质子重新结合形成水。这个最终步骤发生在沃柏格的呼吸酶上，后来基林将它重新命名为细胞色素氧化酶，因为它利用氧气氧化细胞色素c。基林的用词一直沿用至今。

图5 呼吸链的简化示意图，展示出复合体Ⅰ、复合体Ⅲ、复合体Ⅳ和ATP酶。这里没有尽出复合体Ⅱ，因为电子（e-）只会在复合体Ⅰ和复合体Ⅱ之间选择一个做为进入呼吸链的入口，然后再透过一种名为泛醌的电子载体（也被叫做辅酶Q，在超市被当做健康食品贩售，但效果存疑）送至复合体Ⅲ。图中以曲线标出了电子流动的途径。细胞色素c会携带电子由复合体Ⅲ移动至复合体Ⅳ（细胞色素氧化酶），电子会在此处与质子及氧气作用，并且形成水。请注意，嵌在膜上的所有复合体都是彼此分开的。尽管泛醌和细胞色素c会接送电子往来于不同复合体之间，然而，是什么样的媒介将呼吸链的电子传递和ATP酶的ATP生成串连在一起？这个问题过去曾让整个世代的研究人员深感困惑。

今天我们知道，呼吸链的成员编组成四个巨大的分子复合物，嵌在线粒体的内膜上（图5）。这些复合体每个都是碳原子的几百万倍大，即便如此，我们在电子显微镜下仍是几乎看不见它们。各个复合体都由大量的蛋白质、辅酶，和细胞色素组成，其中也包括基林和沃柏格所发现的那些分子。奇怪的是，有些蛋白质表现自线粒体基因，有些则由核基因负责编写，所以，这个复合体是由两个不同基因体所编写的蛋白质混杂构成的。一个线粒体的内膜上埋着数万个完整的呼吸链。它们看起来似乎是彼此分离的，实际上甚至连呼吸链上的每个复合体，看起来也是彼此独立的。

通用能量货币

虽然基林对于呼吸链的初步想法本质上是正确的，但最重要的问题或许还未获解答——怎么把能量保存下来，而不会当场逸散呢？能量透过呼吸链的电子传递被逐步释放，但是在一段时间后才会在细胞的其他部分被有掉，被利用的地点通常是在线粒体之外。这中间必定有某种媒介，或许是一种分子，可以保存呼吸作用释放的能量，再将它转送到细胞内的其他膜隔间，进行各种工作。不论这媒介物身分为何，它的配合度一定很高，才能让细胞内进行的各种不同工作拿来使用，它还必须要够稳定，要能一直保持完好无缺，直到有地方需要它们（因为即使运送的距离只有区区一个细胞，也会花上一点时间）。换句话说，它必须要是分子世界的通用货币，或是游乐场代币。而呼吸链就是铸币厂，制造新货币的地方。那么，这个货币会是什么呢？

最初那一闪的灵光来自于发酵作用的研究。我们对发酵作用其实所知甚少，然而它在葡萄酒和啤酒酿造方面长久以来的重要性掩盖了这项事实。最早从化学角度了解发酵作用的人，还是拉瓦锡。他秤量所有产物的总量，并宣布发酵作用只是糖发生化学裂解后，产生了酒精和二氧化碳。拉瓦锡说的当然没错，但在某种意义上，他并没有讲到重点。因为拉瓦锡认为发酵作用单纯是种化学步骤，并没有什么与生俱来的使命。对拉瓦锡来说，酵母不过是一种渣滓，只是刚好能催化糖的化学性分解程序而已。

到了十九世纪，观察发酵作用的人分成两派——其中一派认为发酵作用是种生物性步骤，本身有它的功能在（这一派的支持者多半是生机论者，相信特殊的生命力量是无法被「化约」成化学的），另一派则认为发酵作用是单纯的化学步骤（支持者多半就是化学家）。这长达一世纪的对立似乎在巴斯德手中化解了。巴斯德是名生机论者，他证明酵母是由活细胞所构成，而发酵作用是由这些细胞所构成，而发酵作用是由这些细胞在无氧的情况下实行的。实际上，巴斯德描述发酵作用名言是「无氧的生机」。巴斯德身为生机论者，他相信发酵作用一定有其目的，也就是说，会对酵母菌带来某些好处，但他自己也承认他「毫无头绪」，不晓得那会是什么样的目的。

巴斯德于一八九五年过世，在他身后仅仅两年，布赫纳便彻底推翻了大家对于「发酵作用需要酵母」的信念，他因这些研究而在一九○七年获颁诺贝尔奖。布赫纳使用的酵母来自德国啤酒商，而巴斯德的来自法国的葡萄酒商。显然德国的酵母菌比较健壮，因为布赫纳成功做到了巴斯德没有完成的事，他在研钵里加沙，把那些酵母菌磨成膏状，再利用液压从膏状物中榨出汁液。如果把糖加入这杯「现榨酵母汁」并将混合物加以培养，发酵作用就会在数分钟内开始进行。混合物会飘散出酒精和二氧化碳，与活酵母菌相比，虽然生成量较少，但酒精和二氧化碳间的比例是一样的。布赫纳提出，执行发酵作用应是某些生物性催化剂，他将之命名为酶（语源自希腊文的en zyme，意思是在酵母里）。他最后的结论是，活细胞就是一座座化学工厂，而酶在其中制造各种不同的产品。布赫纳首开先河，证明只要环境适当，就算细胞死亡了，这些化学工厂也可以重组。此一发现宣告了生机论的末日，并预报了一项新的观念，即所有的生物性步骤，归根究底，都能在类似的简化原则下获得解释——这确实是二十世纪的生物化学最独领风骚的主题。但布赫纳传承给后人的并非都是正面的资产，他将活细胞贬为一个装满酶的袋子，这样的概念弄钝了我们的脑袋，让我们一直忽略了细胞膜在生物学中的重要性。这点我们将在稍后讨论。

在二十世纪的最初几十年，英格兰的哈登爵士和德国的冯奥伊勒（以及其他一些人）利用布赫纳的酵母汁，逐步拼凑出发酵作用的一系列步骤。他们总共解开了大约十二个步骤，每个步骤都有专门的酶负责催化。这些步骤串连在一起，就像工厂的生产线，一个步骤的产物就是下一个步骤的出发点。哈登和冯奥伊勒因为这项成就而在一九二九年双双获颁诺贝尔奖。但最大的惊喜出现在一九二四年，梅尔霍夫（又是一位诺贝尔奖得主）证明，肌肉细胞内也会发生几乎完全一样的变化过程。虽然肌肉细胞的反应产物是让我们抽筋的乳酸，而不是带来欢愉醉意的酒精，但梅尔霍夫证实，这十二个生产线步骤在两者间几乎完全相同。这项事实展演了生命惊人的基础一致性，它意味着，即使是单纯的酵母菌，也和人类血脉相连，正如达尔文所假设的一样。

到了二○年代末，细胞利用发酵作用产生能量这件事逐渐变得明确。发酵作用被用来当做备用供电器（在某些细胞里实际上是唯一的供电器），通常会在主力发电机，也就是呼吸作用失效时被启动。因此，发酵作用和呼吸作用被看成是两套平行的作用，两者都为细胞提供能量，其中一套是在缺氧时运作，另一套则是在有氧的时候。但还有一个更大的问题未曾解答：要怎么将每个步骤的能量保存下来，让细胞在其他部分，其他时间使用？发酵作用也会像呼吸作用一样，生成某种能量货币吗？

一九二九年，海德堡的洛曼发现了ATP，这个问题于是获得了答案。洛曼证明发酵作用和ATP（腺苷三磷酸）的合成是偶联的，而ATP可以在细胞中存放数小时再使用。ATP是腺苷接上三个头尾相连的磷酸根所组成的，这样的排列方式有几分不安定。拆除ATP最末端的磷酸根时会释出高能，生物可以靠这些能量做功——事实上是需要它们来完成大量的生物性做功。三○年代时，俄国的生化学家英盖尔哈特证明ATP对肌肉收缩是必要的——缺乏ATP时，肌肉会呈紧张的僵直状态，就像尸体一样。肌织维需要能量才能收缩并再次放松，它们打断ATP释放出能量，留下腺苷二磷酸（ADP）和磷酸根（P）：

ATP→ADP+P+能量

细胞内ATP的来源有限，所以必须不断地从ADP和磷酸根开始，重新制造ATP，补上新鲜货源。而ATP的再生当然需要能量，如果把上面这条方程式颠倒过来，就会发现这一点。而这正是发酵作用的功能：提供ATP再生所需的能量。发酵一分子的的葡萄糖就可以再生两个ATP分子。

英盖尔哈特随即考虑到下一个问题。肌肉收缩需要ATP，但ATP只有在低氧状况下才能透过发酵作用产生。如果肌肉要在有氧的状态下收缩，那势必要有其他的作用来合成所需的ATP；英盖尔哈特表示，这一定就是呼吸作用的功能。换言之，呼吸作用也会被用来产生ATP。英盖尔哈特开始着手尝试证明他的主张。当时的科学家面临的难题在于技术层面：要将肌肉研磨成适合进行研究的状态并不容易，细胞会受损，还会渗漏。英盖尔哈特采用了一个不寻常，但相对比较容易操作的实验对象——他选用了鸟类的红血球细胞。在这种细胞身上，他证明呼吸作用确实会生成ATP，而且数量远远超过发酵作用。不久之后，西班牙人奥乔亚证明，透过呼吸作用，一个葡萄糖分子可产生多达三十八个ATP分子，这个发现也在一九五九年替他赢得一座诺贝尔奖。他的这项发现意味着，一个葡萄糖分子透过呼吸作用生成的ATP数量是发酵作用的十九倍。总生成量更是惊人。每个人平均每秒会生成9×1020个ATP分子，流通率（事物被生产并消耗的速率）约等于每天六十五公斤。

最初没有什么人承认ATP有通用的重要性，但在三○年代时，哥本哈根的李普曼和克尔卡的研究肯定了这件事，到了一九四一年（这时他们人在美国），他们已声称ATP是「通用的能量货币」。这在四○年代时必定是个大胆的宣言，其鲁莽的程度很有可能会危及科学家的职业生涯。但惊人的是，尽管生命是如此地华丽而多元，但这件事基本上是真的。经研究过的所有细胞内都发现了ATP的存在，不论是植物、动物、真菌或是细菌细胞。在四○年代时，我们知道ATP是呼吸作用和发酵作用的共通产物，到了五○年代，光合作用也来凑上一脚——靠着捕捉太阳能，它也会生成ATP。所以，生命的三条干道，呼吸作用、发酵作用和光合作用，都会产生ATP，这又是一个绝佳的例子，向我们展示了生命的基础一致性。

捉摸不定的「~」

ATP常被说拥有「高能键」，以波形符号（~）表示，而非简单的连字符号（-）。当它的键结被打断时，便会释放出大量的能量，可用来推动细胞内各式各样的工作。不幸的是，这样的表示法其实是错的，ATP上的化学键并没有哪里特别不同。不寻常的地方在于ATP和ADP之间的平衡。细胞中ATP对ADP的含量比远远超过应有的比值，如果让ADP和ATP照着前述的反应议程式自然进入平衡状态，两者间的比例绝不会是这样的。若将ATP和ADP混合，静置于试管中，数天之后这瓶混合试剂几乎全部都会变成ADP和磷酸。细胞内的状况则完全相反：ADP和磷酸几乎全部都会转变成ATP。这有点像是打水上山，打水时会耗费很多能量，可是一旦水进入了山上的水库，就会拥有很大的势能，当水再次向下奔流时，便可以利用这些能量。一些水力发电计画就是这样运作的。水会在电力需求较低的夜间被抽到山上的水库，并在需求大量涌来时予以释放。在英格兰，热门连续剧结束的时段显然就是一波电力需求的高峰，数百万人会同时进入厨房，开始烧开水，准备泡一杯好茶。为了应付这庞大的需求，威尔斯山上的水库闸门会被打开，在深夜，当这波高峰过去后，水库的水会再次补上，准备好应付下一次大规模的饮茶时光。

在细胞中，ADP会被不断地「打上山」，产生充满势能的ATP水库。等到闸门打开的那一天，届时ATP将被用来发动细胞内的各式任务，正如同奔流下山的水被用来催动电器。把水打上山非常耗能，而要产生高浓度的ATP当然也需要很大的能量。提供这些能量正是呼吸及发酵作用的功能。这些步骤所释放出来的能量，会被用来违抗正常的化学平衡，制造细胞内高含量的ATP。

这些观念可以帮助我们了解ATP怎么被用来推动细胞内的工作，但并未实际解释ATP是如何形成的。而瑞克于四○年代进行的发酵作用研究似乎可以提供解答。瑞克是生物能学界的一位巨人。他是波兰后裔，在维也纳长大，三○年代末期，他和许多那个年代的人一样，为了躲避纳粹而逃到英国。战争爆发后，他结束了他在马恩群岛的医师实习工作，搬到了美国，在纽约定居了几个年头。解开发酵作用中的ATP合成机制，是他成果丰硕的五十年研究生涯里，第一桩重要贡献。他发现，在发酵作用中，糖类被分解成小片段时所释出的能量，会被用来抵抗化学平衡，将磷酸根接上这些小片段。换言之，发酵作用产生了带有磷酸根的高能中间产物，而接下来它们会将身上的磷酸根转移出去，形成ATP。这整个变化在能量的考量上是可以顺利发生的，就像是高处冲下来的水流可以催动水车旋转——流水和水车的转动是偶联的。ATP同样也可以透过偶联的化学反应而生成，发酵作用释放的能量会驱动一个与之偶联的耗能反应，也就是ATP的生成。瑞克（还有整个领域的人）认为，类似的化学偶联模型，应该也可以解释ATP在呼吸作用中的形成方式。结果却完全相反！这个想法不仅没能提供正确的见解，还开启了延续数十年的徒劳追寻。然而另一方面，最后找到的解答为我们提供的重要见解，指引我们洞悉生命以及生物复杂性的本质，比分子生物学任何其他的发现（除了DNA双螺旋结构本身之外）都更为重大。

问题的关键在于高能中间产物的真实身分。呼吸作用中，ATP是由名为ATP酶的巨型复合体酶（或称ATP合成酶）所制造的，这也是瑞克和他纽约的同事发现的。线粒体的内膜上钉着高达三万个ATP酶，在电子显微镜下可以模糊地辨识出来，就像是膜上长出的蘑菇（图6）。在一九六四年，当瑞克第一次看到它们时，他描述它们是「生物学的基本微粒」，这个称号到了今天变得甚至更为贴切，我们继续看下去就会明白。ATP酶和呼吸链中的复合体一样，坐落在线粒体的内膜上，但它们并没有实质相连，而是分别镶嵌在膜上的。这就是问题的根源。这些离散的复合体，要怎么跨越物理性的间距，彼此沟通？说得更精确一点，呼吸链要怎么把电子传递释放出的能量转送给ATP酶，让它生成ATP？

在当时，电子沿呼吸链传递时发生的氧化还原反应，是呼吸作用中唯一已知的反应。大家知道那些复合体会轮流被氧化并被还原，但是请注意：它们似乎没有和任何其他的分子作用。所有反应和ATP酶实际上都是分开的。科学家认为，呼吸作用释出的能量应该会被用来形成某种高能的中间产物，就像发酵作用那样。然后这中间产物会实际移动到ATP酶的位置，毕竟，要有接触才会有化学反应；远距离作用对化学家而言，根本是巫术。这个想像中的高能中间产物必须含有一个化学键，等同于发酵作用中，糖与磷酸根的键结，在被打断时，能够释出足以让ATP高能键形成的能量。ATP酶想必会催化这个反应。

科学的进行常常是这样的：在跨向重大改变之际，会先掌握整体大致的轮廓，剩下要做的只是补上一些细节——例如，确定高能中间产物的身分。大家最后只会记得它是那个波形符号「~」，至少在你想维持话题气氛良好的时候，不会想要提到它。这个中间产物确实很难捉摸，整个世代中最聪明的脑袋和最灵巧的实验人员，找它找了二十年；他们总共提出至少二十个候选者，然后又全部推翻。然而找到这个中间产物似乎是迟早的事。它一定存在，因为细胞的化学本质就是如此，细胞不过就是一袋酶，身为布赫纳的子弟兵，这点他们再清楚也不过了。酶处理化学反应，而化学的一切都和原子间的键结有关。

图6 瑞克口中的「生命的基本微粒」。ATP酶蛋白像柄上的蘑菇，从膜囊泡伸出头来。

但在呼吸作用的化学世界，有个恼人的小细节一直困扰着大家：ATP分子生成的数目会改变。从一个葡萄糖分子可以产生二十八到三十八个ATP。确切的数目会因时而异，而且ATP生成的数目虽然可以高达三十八个，但落在低点的时候比较多。不过重点还是缺乏一致性。ATP是由流经呼吸链的电子流所生成的，而当一对电子流过呼吸链，会产生二到三个ATP：不是整数。如果你曾为了平衡化学方程式而吃过苦头，你就会知道，化学讲求整数。半分子的A和三分之二分子的B作用，这种事是不可能的。那么ATP生产所需的电子数目怎么会如此多变，甚至还不是整数？

还有一个小地方也很烦人。呼吸作用必须有膜，没有膜它就完全不进行。细胞膜不仅仅是一个用来盛装呼吸作用复合体的塑胶袋。如果膜瓦解了，呼吸作用就会「解偶联」，就像是一台没有绞链的单车：不论我们多么拼命地踩踏板，车轮也不会转动。当呼吸作用解偶联时，葡萄糖会透过呼吸链继续急速地氧化，但不会有任何ATP产生。换言之就是输入和输出脱节了，释放的能量以热的形式逸散。这个奇怪的现象，不只会因为膜受到机械性的伤害而发生，也会由一些彼此似乎毫无关联的化学物质引起，这些化学物质称为解偶联剂，而它们并不会对细胞膜造成机械性的伤害。这些化学物质（包括阿斯匹灵还有迷幻药，前者颇耐人寻味，后者则毫不意外）全都会使葡萄糖的氧化与ATP的生成脱节，方法完全相同，但它们的化学性质似乎没有任何共通之处。传统的方法似乎不能解释解偶联的现象。

六○年代初期，整个领域已陷入了沮丧的泥沼。瑞克对这个僵局下了个注解，他的说词让人想到费曼描述量子力学的着名格言。他说：「如果有人没有被彻底搞糊涂，那他根本就还没真正了解这个问题。」呼吸作用产生能量并以ATP的形式输出，但输出的方式完全不符合化学的基本规则，甚至似是在藐视规则。发生什么事？虽然这些奇特的发现，一再地向众人呐喊着寻求一个根本的反思，但当米歇尔一九六一年丢出他惊人的答案时，没有人有心理准备。

2024-07-06 16:35:10