《生命是什么》：王立銘的“野心之作”
生命是什么？
——淺談王立銘新著《生命是什么》
撰文 | 劉海坤（德國(guó)國(guó)家癌癥研究中心研究員）
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王立銘是科普界的明星，也是國(guó)內(nèi)少有的、可以在科普科研間自由切換的優(yōu)秀青年科學(xué)家。我認(rèn)識(shí)立銘是通過(guò)微信，我戲稱(chēng)此類(lèi)朋友為“微友”。此類(lèi)朋友特點(diǎn)是相隔萬(wàn)里，不必相見(jiàn)，無(wú)人情之累，卻又近在手邊，可隨時(shí)互懟并交流心得。我之前已經(jīng)讀過(guò)立銘兩本精彩大作（《吃貨的生物學(xué)修養(yǎng)：脂肪，糖和代謝病的科學(xué)傳奇》和《上帝的手術(shù)刀：基因編輯簡(jiǎn)史》），后來(lái)知道他在用心打造一本新著。之后又讀到他精彩的新書(shū)書(shū)稿的后記，更加心急難耐。萬(wàn)幸近日從立銘處得到樣書(shū)，遂一氣讀完。就是這一本我今天要談的《生命是什么》。
生命是什么？如果是對(duì)“生命”這個(gè)概念的解釋?zhuān)敲催@可能是我們能想象的最難回答的問(wèn)題之一，學(xué)術(shù)界也的確沒(méi)有統(tǒng)一答案。但如果這是個(gè)開(kāi)放的問(wèn)題，我們便可以在很多有趣的維度解釋并充分演繹。立銘此書(shū)便是要以一己之力從多個(gè)維度提取出最重要而又互相承接的維度，并在20萬(wàn)字里把《生命是什么》以層層遞進(jìn)的方式解析。本書(shū)的主題比起立銘前兩部書(shū)更宏大而深刻，所以我稱(chēng)之為“野心”之作。
生命是什么？作者在開(kāi)篇并沒(méi)有嘗試直接回答這個(gè)問(wèn)題，而是把我們的視角轉(zhuǎn)離地球，瞄向太空。他首先提出了一個(gè)全體人類(lèi)都感到好奇的問(wèn)題：外星生命是否存在？接連幾個(gè)精彩的科學(xué)故事，從非常有說(shuō)服力的“費(fèi)米悖論”，令人遐想的“戴森球”，以及可以推算外星生命機(jī)率的“德雷克公式”，展示人類(lèi)一直嘗試用理性去想象外星生命的存在的模式。尋找外星生命，一個(gè)前提是我們要有能力分辨什么是生命？這也是困擾美國(guó)航天局負(fù)責(zé)尋找外星生命的科學(xué)家的主要問(wèn)題之一。這個(gè)問(wèn)題自然而然引出了作者的創(chuàng)作主旨——生命是什么？
生命科學(xué)跨越的尺度從納米到宏大的地球生態(tài)系統(tǒng)，宏大繁復(fù)，包羅萬(wàn)象。想要從中提煉出生命的基本特質(zhì)并書(shū)寫(xiě)出來(lái)非常有挑戰(zhàn)性。不過(guò)幸好我們有貫穿生命科學(xué)的第一原則：進(jìn)化論。立銘選擇了生命的演化作為軸線(xiàn)，在其妙筆之下，一出跌宕起伏，驚險(xiǎn)刺激的幾十億年的大冒險(xiǎn)戲劇就此拉開(kāi)序幕。他先從古代哲學(xué)家對(duì)生命本質(zhì)對(duì)探討談起，之后科學(xué)家登上舞臺(tái)，一個(gè)個(gè)精彩的科學(xué)故事提醒我們?nèi)祟?lèi)不斷從多維度接近, 理解并嘗試解析生命本質(zhì)的曲折過(guò)程。之后他把鏡頭迅速推進(jìn)到著名的米勒－尤里實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)令人驚奇地證明了生命起源的基本分子，如氨基酸，可以在實(shí)驗(yàn)室模擬的古代地球環(huán)境里快速產(chǎn)生。該試驗(yàn)基本解決了生命產(chǎn)生的原材料來(lái)源問(wèn)題，隨之引申出當(dāng)代科學(xué)三大重要問(wèn)題之一：生命的起源問(wèn)題。
宇宙漫長(zhǎng)歷史中最神奇的事件之一莫過(guò)于生命的誕生。在前進(jìn)化論時(shí)代，大多數(shù)人類(lèi)甚至認(rèn)為地球上生命的多彩紛呈是神跡存在的最好證明。正如物理學(xué)家對(duì)理解宇宙起源的“大爆炸”充滿(mǎn)了無(wú)窮的向往和想象，生物學(xué)家對(duì)于理解生命誕生這一從無(wú)到有的重要時(shí)刻也抱有同樣的情感。
這部分，立銘首先提出了產(chǎn)生生命的物理先決條件——能量。立銘的偶像之一，物理學(xué)黃金時(shí)代的代表，量子力學(xué)奠基人之一薛定諤在1944年發(fā)表的影響深遠(yuǎn)的科普名著《What Is Life？》（也是立銘本書(shū)取名的原因）里就提到，由熱力學(xué)第二定律推論，在一個(gè)封閉系統(tǒng)中，熵只會(huì)增加，即變得無(wú)序。而生命是高度有序的系統(tǒng)，所以生命應(yīng)以負(fù)熵為生，需要能量的攝入來(lái)維持穩(wěn)定而有序的存在（注：負(fù)熵這個(gè)概念薛定諤本人后來(lái)也有修改，感興趣的可以進(jìn)一步閱讀相關(guān)文獻(xiàn)）。這一推論顯示出生命的基本法則不違背物理基本法則（實(shí)際上我們目前已知的所有生命的基本法則都不違背物理或化學(xué)的基本法則，不過(guò)迄今未止也沒(méi)有任何一個(gè)物理學(xué)的理論能夠把對(duì)生命的解釋包含在內(nèi)）。以此為引，作者請(qǐng)出了他非常喜歡的而且在書(shū)中非常不吝言辭贊美的ATP及其合成酶。這一部分立銘寫(xiě)的非常精彩，是本書(shū)的高潮之一。我不敢在此劇透，強(qiáng)烈推薦讀者自己閱讀體驗(yàn)。
解決了能量問(wèn)題之后，想象力豐富的立銘隨即把一個(gè)個(gè)精彩的理性科學(xué)發(fā)現(xiàn)和其浪漫的想象力結(jié)合在一起，構(gòu)想出了生命誕生之初的“前生命”形式的幾個(gè)可能版本（從1.0到4.0）。蛋白，DNA和RNA輪番登上舞臺(tái)。他嘗試從各個(gè)角度的可能性來(lái)探討生命起源的可能途徑。這一部分我們可以欣賞到立銘作為著名科普作家的功力。生命誕生前的時(shí)刻對(duì)科學(xué)家來(lái)說(shuō)都是神秘和晦澀的，立銘通過(guò)其豐富的想象力把各種可能性轉(zhuǎn)變?yōu)樵谧x者面前的一幕幕精彩文字影像。
所有上述的準(zhǔn)備都是為了胞生命誕生的那一刻，這是一個(gè)可以自我復(fù)制其生命分子和個(gè)體的生命單位，一個(gè)活著的細(xì)胞。這應(yīng)該是一個(gè)有能力把遺傳信息傳遞到幾十億年之后的細(xì)胞，一個(gè)有能力轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)化之輪的細(xì)胞。（從科學(xué)上來(lái)說(shuō)，細(xì)胞學(xué)說(shuō)的誕生（1839）遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于DNA作為遺傳物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)（1944），是第一個(gè)真正把所有生命都包含在內(nèi)的學(xué)說(shuō)。）可以說(shuō)生命的誕生標(biāo)志就是第一個(gè)細(xì)胞的誕生。在這個(gè)環(huán)節(jié)，立銘強(qiáng)調(diào)了細(xì)胞膜的產(chǎn)生是關(guān)鍵性的一步，因?yàn)檫@是把酶、遺傳物質(zhì)和其他生命必須分子聚集在同一空間的關(guān)鍵。我個(gè)人認(rèn)為，對(duì)第一個(gè)細(xì)胞的多種想象也是立銘可以進(jìn)一步加以發(fā)揮的地方，可能因?yàn)槠?，立銘并沒(méi)有在此進(jìn)一步打開(kāi)其想象力的閘門(mén)。而隨之而來(lái)的細(xì)胞的分工即多細(xì)胞生命的出現(xiàn)則是打開(kāi)了生命爆發(fā)的閘門(mén)，這直接導(dǎo)致了更為復(fù)雜的生命以及具有高等智慧的人類(lèi)的出現(xiàn)。作者稱(chēng)之為“君臨地球”。
進(jìn)化本身雖然并非是從低級(jí)到高級(jí)，但復(fù)雜生命的產(chǎn)生卻是長(zhǎng)期進(jìn)化的結(jié)果。生命進(jìn)化漫長(zhǎng)的歷史中最杰出的產(chǎn)物毫無(wú)疑問(wèn)當(dāng)屬人類(lèi)的大腦。至此，作為神經(jīng)科學(xué)家的立銘用整個(gè)下半部進(jìn)一步展示大腦的功能：感知、學(xué)習(xí)記憶、社交，并由此一直討論到哲學(xué)上都極有難度的更抽象的概念：我，自由意志。從視覺(jué)的神經(jīng)解碼，到語(yǔ)言的生物基礎(chǔ)，再到多重人格癥以及人工智能，這些精彩的故事呈現(xiàn)出一個(gè)已經(jīng)非常精彩且在未來(lái)會(huì)更加精彩的科學(xué)世界。
科學(xué)研究在帶來(lái)新知的同時(shí)總是帶來(lái)新的未知。曾經(jīng)被生命科學(xué)吸引的物理學(xué)天才費(fèi)曼戲言，在生物學(xué)領(lǐng)域，隨便一個(gè)問(wèn)題我們都沒(méi)有答案，而物理學(xué)則是你要花相當(dāng)多的時(shí)間才能找到?jīng)]有解決的重要問(wèn)題。這樣的現(xiàn)狀并沒(méi)有改變太多，而立銘之后討論的生命科學(xué)的已知和未知也會(huì)讓讀者浮想聯(lián)翩，我想這部分對(duì)于有抱負(fù)的下一代科學(xué)家會(huì)有相當(dāng)?shù)奈?。所以，讀完本書(shū)，你可能找不到“生命是什么？”的答案，但你對(duì)“生命是什么？”這一問(wèn)題的理解定會(huì)有質(zhì)的提升。
好科普難寫(xiě)，中文世界的原創(chuàng)科普可以達(dá)到英文優(yōu)秀科普著作高度的更少。我個(gè)人認(rèn)為，立銘的作品是中文科普世界里鳳毛麟角的存在。這部書(shū)的架構(gòu)和邏輯在英文科普著作里也少見(jiàn)，可見(jiàn)立銘對(duì)此做過(guò)仔細(xì)推敲琢磨。好的科普書(shū)重要的作用不是科普知識(shí)點(diǎn)，因?yàn)橹R(shí)早晚變得陳舊，重要的是普及科學(xué)的思維和判斷方式。這一點(diǎn)讀者應(yīng)能從立銘講故事的字里行間體會(huì)到，他總是努力地給讀者展現(xiàn)精彩科學(xué)發(fā)現(xiàn)背后的內(nèi)在邏輯，從推理到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，絲絲入扣。
從行文風(fēng)格也可以看出立銘是有人文情懷的作家，他的作品充滿(mǎn)了積極對(duì)待未知世界的態(tài)度和一個(gè)更好未來(lái)的信念。這部作品的風(fēng)格讓我想起我最喜歡的法國(guó)科學(xué)大師、優(yōu)秀的科普作家弗朗西瓦.雅克布（Francois Jacob，1920-2013 ，1965年因操縱子模型獲諾貝爾獎(jiǎng))。他在1973年出版的科普著作《生命的邏輯》探討的角度和思路與立銘本書(shū)有交相輝映之處。
立銘本書(shū)起名《生命是什么》，有向偶像薛定諤的《What Is Life？》致敬之意。薛定諤的這部名著啟發(fā)了分子生物學(xué)時(shí)代的許多科學(xué)名家，最出名的當(dāng)屬DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)者之一沃森。我想，立銘花如此多心思打造這一本中文同名著作的“野心”也在于此，他一定希望本書(shū)能啟發(fā)中國(guó)下一代科學(xué)家在青少年時(shí)代就能領(lǐng)略到真正的科學(xué)思維。我至今記得自己在年輕時(shí)閱讀薛定諤這本著作時(shí)對(duì)科學(xué)產(chǎn)生的懵懂而向往的情愫。我相信立銘也做到了這一點(diǎn)，因?yàn)榧词怪心耆缥?，在閱讀本書(shū)過(guò)程中腦子里也在不斷蹦出新的問(wèn)題：假設(shè)宇宙中另存一個(gè)物理上一模一樣的太陽(yáng)系，該太陽(yáng)系里的星球能進(jìn)化出和我們地球一樣的生命類(lèi)型嗎？人類(lèi)出現(xiàn)在那里的機(jī)率是否可以通過(guò)德雷克公式推導(dǎo)出來(lái)？自稱(chēng)掌握了基因編輯這把上帝的手術(shù)刀的人類(lèi)真的可以跳出自然選擇嗎？在生命產(chǎn)生初期，是否產(chǎn)生過(guò)不基于DNA傳遞遺傳信息的生命形式而被篩選掉了？最早的產(chǎn)生的細(xì)胞里的基因組到底有多大？進(jìn)化論是否是放之宇宙而皆準(zhǔn)的生命法則？
我不擅書(shū)評(píng)，立銘花兩年打造的精品，也不是我一天寫(xiě)就的書(shū)評(píng)就能揭示其全部精彩的，之所以成此文是衷心推薦本書(shū)給各個(gè)層面的讀者，此書(shū)老少咸宜，希望您有自己的收獲。當(dāng)然我尤其推薦給對(duì)科學(xué)感興趣的青少年，我女兒就非常喜歡“戴森球”的故事。我想，作為科普作家的立銘一定不止一次想象過(guò)這樣的一天，一位中國(guó)科學(xué)家在斯德哥爾摩的領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)上致獲獎(jiǎng)辭：“我踏上科學(xué)之路是因?yàn)樾r(shí)候讀的一部王立銘教授的科學(xué)名著，《生命是什么》?！?/p>
生命的外殼：細(xì)胞膜
撰文 | 王立銘（浙江大學(xué)教授）
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對(duì)于地球生命來(lái)說(shuō)，在生命體和周?chē)h(huán)境之間存在著不言而喻的清晰界限。皮膚毛發(fā)包裹著人類(lèi)的軀體，水里的魚(yú)蝦頂著閃閃發(fā)光的鱗片或者厚厚的硬殼，樹(shù)木的軀干上也裹著斑駁嶙峋的樹(shù)皮。很難想象會(huì)存在一種生命，和環(huán)境之間有著緩慢過(guò)渡的邊界。就像我們看不到人體的內(nèi)臟飛得滿(mǎn)房間都是，也不會(huì)看到樹(shù)木若有如無(wú)的魅影籠罩成了一片樹(shù)林。
在微觀視角下，幾乎所有的地球生命都是由一個(gè)或許多個(gè)、乃至上百萬(wàn)億個(gè)微小的細(xì)胞構(gòu)成的。即便是不以細(xì)胞形式存在的病毒生命，也只有在進(jìn)入宿主細(xì)胞后才能“活”過(guò)來(lái)開(kāi)始自己的生命歷程。細(xì)胞是構(gòu)成地球生命的基本物理單元。細(xì)胞內(nèi)外，生命和環(huán)境的界限不言而喻。
從某種意義上說(shuō)，每一個(gè)細(xì)胞都可以看作一個(gè)有著自己獨(dú)特生活經(jīng)歷和命運(yùn)的生命體。祖先細(xì)胞的DNA分子完成自我復(fù)制后各奔東西，攜帶著祖先的記憶，伴隨著細(xì)胞本身一分為二，完成生命的繁衍復(fù)制。在每一個(gè)細(xì)胞內(nèi)部，能量貨幣ATP驅(qū)動(dòng)著各種各樣生命活動(dòng)的進(jìn)行，它讓紅細(xì)胞能夠吸滿(mǎn)氧氣在血管里暢游，讓神經(jīng)細(xì)胞釋放高高蓄積的離子水位產(chǎn)生微弱的生物電流，讓草履蟲(chóng)的纖毛輕輕擺動(dòng)，讓大腸桿菌修補(bǔ)外殼上破損的脂多糖。而到生命的盡頭，細(xì)胞或因?yàn)橥鈹车娜肭植恍翌倦y，或按照自身的生命密碼啟動(dòng)了自殺程序，曾經(jīng)輝煌壯麗的生命大廈轟然倒塌，曾經(jīng)嚴(yán)整有序的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和生物分子慢慢破損消亡。
和宏觀生命一樣，細(xì)胞這種微觀生命也同樣是有清晰邊界的。它們被一層僅有幾納米厚的脂類(lèi)分子薄膜嚴(yán)密地包裹起來(lái)，薄膜內(nèi)部是生機(jī)勃勃的生命活動(dòng)，外面則是危險(xiǎn)冷漠的外在世界。實(shí)際上，考慮到地球生命都是由數(shù)量不等的細(xì)胞構(gòu)成的，我們完全可以認(rèn)為這層薄膜才是生命和地球環(huán)境的邊界。
在邏輯上很容易想通這層薄膜的意義——它遠(yuǎn)比簡(jiǎn)單的一層屏障重要得多。
我們知道，能量和自我復(fù)制是生命從混亂無(wú)序的環(huán)境中萌發(fā)并萬(wàn)世長(zhǎng)青的兩個(gè)基本條件。生命現(xiàn)象想要存在，必須在局部蓄積起足夠濃度的能量，然后用它驅(qū)動(dòng)某種能夠攜帶遺傳信息的生物大分子（例如RNA）的自我復(fù)制。那么可想而知，如果沒(méi)有一層物理屏障的存在，能量分子和遺傳物質(zhì)哪怕能夠偶然出現(xiàn)，也會(huì)像在原始海洋里滴一滴墨汁一樣，迅速稀釋到無(wú)蹤無(wú)跡?；蛘叻催^(guò)來(lái)說(shuō)，從46億年前地球形成開(kāi)始，能量分子和遺傳物質(zhì)可能已經(jīng)自發(fā)出現(xiàn)過(guò)千千萬(wàn)萬(wàn)次。但是必須再耐心等待10億年，直到第一個(gè)原始細(xì)胞出現(xiàn)，為能量分子和遺傳物質(zhì)構(gòu)造起“分離之墻”，并且從那一刻開(kāi)始，始終包裹在每一個(gè)細(xì)胞和它們的后代周?chē)?，地球生命才真正有可能告別曇花一現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象，穩(wěn)定地存活下來(lái)，利用能量驅(qū)動(dòng)生命活動(dòng)，利用自我復(fù)制適應(yīng)地球環(huán)境，開(kāi)枝散葉一直到今天。
當(dāng)然，即便沒(méi)有這層薄膜，化學(xué)家也仍然可以設(shè)想出許多場(chǎng)合能夠聚攏能量分子和遺傳物質(zhì)。比如，我們可以設(shè)想最早的生物化學(xué)反應(yīng)并不是在海洋里進(jìn)行的，而是固定在某種固體的表面（例如海底礦床和火山），我們也可以設(shè)想巖石內(nèi)部存在微小的孔隙，生命物質(zhì)可以在空隙里維持很高的濃度。但是不管是礦床還是巖石孔隙，都不會(huì)跟著生命自我復(fù)制的節(jié)奏擴(kuò)張。生命的最終出現(xiàn)，仍然需要有一座分離之墻，一層生命自身能夠制造和儲(chǔ)備的薄膜。
甚至不需要做任何觀察和實(shí)驗(yàn)，我們也能輕而易舉地推導(dǎo)出這層分離之墻的許多有趣性質(zhì)。
它必須是一種不溶于水的化學(xué)物質(zhì)，否則會(huì)在地球原始海洋里輕易地分崩離析。它必須能夠形成致密的結(jié)構(gòu)，要是孔隙太大各種物質(zhì)能夠自由進(jìn)出，這層膜也就沒(méi)有用了。而基于這兩點(diǎn)，我們還能猜想出這層膜的第三個(gè)性質(zhì)：它必須具備一定程度的通透性，能夠讓某些分子穿梭于細(xì)胞內(nèi)外，例如氧氣、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、細(xì)胞產(chǎn)生的廢物，等等。不溶于水、致密包裹、又有選擇透過(guò)性，考慮到地球原始海洋里并沒(méi)有多少原材料可以選，按說(shuō)生命這道分離之墻的性質(zhì)應(yīng)該昭然若揭了。
然而讓人跌破眼鏡的是，從英國(guó)科學(xué)家羅伯特·胡克（Robert Hooke）在顯微鏡下觀察到植物軟木標(biāo)本里一個(gè)個(gè)蜂巢狀的微小結(jié)構(gòu)并于1665年提出“細(xì)胞”的概念，到1972年辛格（Seymour Singer）和尼克爾森（Garth Nicolson）提出目前被廣為接受的細(xì)胞膜物質(zhì)解釋“流動(dòng)鑲嵌模型”，足足用了三百多年的時(shí)間！
?1665年，羅伯特·胡克發(fā)表了巨著《顯微術(shù)》。在書(shū)中，他展示了在顯微鏡下觀察到的軟木標(biāo)本圖片。胡克把圖片中蜂巢狀的結(jié)構(gòu)命名為“細(xì)胞”。我們現(xiàn)在知道，胡克圖片中的蜂巢結(jié)構(gòu)其實(shí)是植物的細(xì)胞壁，這是一種由多糖類(lèi)物質(zhì)形成的結(jié)構(gòu)。細(xì)胞壁內(nèi)部才是細(xì)胞膜。動(dòng)物細(xì)胞沒(méi)有細(xì)胞壁。
看見(jiàn)分離之墻
科學(xué)研究從來(lái)就不是一蹴而就的坦途，曲折反復(fù)、浴火重生是常態(tài)。但是無(wú)論如何，從知道有一層邏輯上必須存在的膜，到搞清楚這層膜到底是什么，三百年還是太長(zhǎng)太長(zhǎng)了，長(zhǎng)到在對(duì)科學(xué)史蓋棺定論的時(shí)候，我們必須為此給出一個(gè)合理的解釋。
這個(gè)解釋就是，這層膜實(shí)在是太薄太薄了！厚度還不到10納米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于光學(xué)成像的理論極限分辨率200納米。人類(lèi)科學(xué)家再雕琢自己的光學(xué)顯微鏡鏡片，也不可能看到這層膜的樣子（胡克在軟木標(biāo)本中看到的蜂巢結(jié)構(gòu)其實(shí)是細(xì)胞壁，一種植物細(xì)胞特有的堅(jiān)硬外殼）?？炊伎床灰?jiàn)的東西，天知道它存不存在？而當(dāng)生物學(xué)家瞪大眼睛反復(fù)看，都沒(méi)有看到傳說(shuō)中這層膜的樣子以后，自然而然會(huì)有一批人轉(zhuǎn)而開(kāi)始考慮其他的可能性。比如，直到20世紀(jì)初，仍然有不少生物學(xué)家認(rèn)為這層膜壓根就是不存在的，細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)像膠水一樣黏合在一起才不會(huì)破碎和稀釋。這個(gè)解釋現(xiàn)在看起來(lái)幾乎不言而喻是錯(cuò)誤的，就算是每一個(gè)細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)可以按照這種方式聚集而不散開(kāi)，怎么才能防止細(xì)胞和細(xì)胞之間的“膠水”黏在一起？這種解釋仍然離不開(kāi)一個(gè)在物理化學(xué)性質(zhì)上截然不同的“分離之墻”。歸根結(jié)底，生物學(xué)家們是敗給了自己“眼見(jiàn)為實(shí)”的思維定勢(shì)。
?電子顯微鏡下的細(xì)胞膜。圖中顯示的是兩個(gè)細(xì)胞的邊界，兩個(gè)箭頭分別指向兩個(gè)細(xì)胞各自的細(xì)胞膜。
話(huà)說(shuō)回來(lái)，要說(shuō)服大家相信一個(gè)看不見(jiàn)摸不著的東西僅僅因?yàn)檫壿嬌系睦碛删捅仨毚嬖冢_實(shí)還是需要些勇氣的。讀者們可能會(huì)想到一個(gè)類(lèi)似的例子：物理學(xué)中“以太”的概念。而且別忘了，以太的概念最終被證明是多余的。所幸從18世紀(jì)開(kāi)始，生物學(xué)家們觀察到了一個(gè)很有趣的現(xiàn)象：把動(dòng)物紅細(xì)胞從血液里提取出來(lái)，丟進(jìn)各種各樣的溶液中，如果溶液里鹽分很足，細(xì)胞會(huì)縮成一小團(tuán)；如果溶液里鹽分很少甚至沒(méi)有，細(xì)胞又會(huì)腫脹得很大。這個(gè)現(xiàn)象當(dāng)然可以有各種各樣的解釋?zhuān)亲詈?jiǎn)單的解釋就是把細(xì)胞想象成一個(gè)薄膜包裹的盛水口袋，水可以在薄膜兩邊自由地流動(dòng)，但是鹽分子不可以。如果外界環(huán)境鹽分太足，就會(huì)形成外高內(nèi)低的鹽濃度差，也就是說(shuō)，內(nèi)高外低的水濃度差，因而水會(huì)順著這種濃度差，從里往外滲出來(lái)，讓口袋變小；反過(guò)來(lái)水就會(huì)滲進(jìn)口袋。
特別是到了19世紀(jì)末，在檢測(cè)了市面上能找到的數(shù)百種化學(xué)物質(zhì)之后，英國(guó)科學(xué)家內(nèi)斯特·歐福頓（Ernest Overton）發(fā)現(xiàn)，并不是把細(xì)胞丟在什么溶液里它都會(huì)像變戲法一樣長(zhǎng)大縮小的。各種各樣的鹽溶液都沒(méi)有問(wèn)題，但是如果換成脂類(lèi)分子溶液（比如大家耳熟能詳?shù)哪懝檀迹?/span>，這種戲法就不靈了。那么根據(jù)上面的邏輯繼續(xù)推論，我們還可以進(jìn)一步猜測(cè)脂類(lèi)分子也能自由通過(guò)細(xì)胞膜。這樣在脂肪和水的環(huán)境里，細(xì)胞膜就像篩子一樣，完全起不到“分離之墻”的作用，當(dāng)然也就談不上能控制細(xì)胞的大小了。在此觀察的基礎(chǔ)上，歐福頓天才地設(shè)想，這層薄薄的細(xì)胞膜可能是脂類(lèi)分子構(gòu)成的，特別是膽固醇和磷脂這兩種脂類(lèi)分子。
這個(gè)設(shè)想一舉解決了關(guān)于“分離之墻”的兩個(gè)問(wèn)題。大家都知道“油水不相容”，這是因?yàn)樗肿訋в袕?qiáng)烈的極性，它的氧原子上帶有強(qiáng)烈的負(fù)電荷，氫原子上則帶有正電荷，因此水分子之間能夠通過(guò)正負(fù)電荷的吸引形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。與之相反，大多數(shù)脂類(lèi)分子的電荷分布很均勻，一旦放入水中，不僅不能和水分子形成電荷吸引，反而還會(huì)破壞水分子之間的穩(wěn)定關(guān)系，就像把玻璃彈珠扔進(jìn)一堆方方正正的樂(lè)高玩具一樣不合時(shí)宜。因此脂肪分子不溶于水，而且在水中還會(huì)自發(fā)聚集成團(tuán)，盡可能減少表面積，減少暴露在水分子面前的機(jī)會(huì)。這樣一來(lái)，由脂類(lèi)分子構(gòu)成的膜當(dāng)然就不會(huì)在水中分崩離析，而且天然地形成致密的結(jié)構(gòu)，包裹住細(xì)胞內(nèi)的生命物質(zhì)。
當(dāng)然了，歐福頓的理論聽(tīng)起來(lái)頭頭是道，但是有一個(gè)相當(dāng)致命的技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有顧及到。脂類(lèi)分子構(gòu)成的膜為什么不會(huì)動(dòng)不動(dòng)就突然崩塌，進(jìn)一步收縮成更小更致密、表面積更小的球？要知道，既然脂類(lèi)分子在水中的天然傾向是減小表面積，那自身聚集成一個(gè)實(shí)心球，把大多數(shù)脂肪都包裹起來(lái)豈不是最好的解決方案？
這個(gè)問(wèn)題又過(guò)了二十多年才得到完美的解決。1925年，荷蘭萊頓大學(xué)的科學(xué)家高特（E. Gorter）和格蘭戴爾（F. Grendel）決定直接使用化學(xué)方法，把這層假想中的“分離之墻”提取出來(lái)，看看它們是什么——如果它們?nèi)鐨W福頓所說(shuō)當(dāng)真存在的話(huà)。
根據(jù)歐福頓的理論，這層膜是脂類(lèi)分子，因此可以用有機(jī)溶劑輕松提純。然后，高特和格蘭戴爾把從紅細(xì)胞提取的這些物質(zhì)平鋪到一杯水上，小心翼翼地拉成了一層膜。這個(gè)過(guò)程有點(diǎn)像把吃飯剩下的油倒進(jìn)開(kāi)水里，菜湯表面就會(huì)形成一層油光光的薄膜。然后他們發(fā)現(xiàn)，拉出這層膜的面積，排除掉實(shí)驗(yàn)誤差，差不多正好是計(jì)算出的紅細(xì)胞表面積的兩倍！換句話(huà)說(shuō)，細(xì)胞膜應(yīng)該不是一層，而是由兩層分子構(gòu)成的。
?高特和格蘭戴爾提出的磷脂雙分子層模型。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，細(xì)胞膜是由兩層緊密排列的磷脂分子構(gòu)成的，磷脂分子的極性“頭”朝外，和水分子親密結(jié)合，非極性“尾”則隱藏在分子內(nèi)部?？梢钥闯觯@樣的結(jié)構(gòu)最大程度地避免了電中性的尾巴和水分子的接觸，在物理性質(zhì)上很穩(wěn)定。事實(shí)上，細(xì)胞膜的基本模型在1925年之后并沒(méi)有巨大的改動(dòng)。
這時(shí)高特和格蘭戴爾又想起了歐福頓理論中一個(gè)總是被人忽略的小細(xì)節(jié)。歐福頓預(yù)測(cè)，細(xì)胞膜的物質(zhì)成分是磷脂和膽固醇，而這兩種脂類(lèi)分子都有一個(gè)異乎尋常的特性：分子骨架的絕大多數(shù)地方都是電中性的，因此天然排斥水分子。但是兩種分子的頂端卻恰好都有一個(gè)帶有電荷的“頭”，因此是可以和水分子親密結(jié)合的。也就是說(shuō)，這兩種分子兼具了油和水的性質(zhì)，頭像水，尾巴像油。這樣一來(lái)，這個(gè)雙層膜的現(xiàn)象就很好解釋了。兩層膜對(duì)稱(chēng)排列，都是頭朝外，尾巴朝內(nèi)，那么分子骨架上電中性的部分被完全隱藏在了內(nèi)部，而分子頭部帶電荷的部分又可以用來(lái)結(jié)合水分子，一舉兩得。這樣的結(jié)構(gòu)，甚至比單純用脂肪分子堆積一個(gè)實(shí)心小球還要穩(wěn)定！
直到此時(shí)，細(xì)胞膜的存在、細(xì)胞膜的特性、細(xì)胞膜的化學(xué)構(gòu)成才真正取得了共識(shí)。高特和格蘭戴爾的雙分子層模型在此后經(jīng)歷過(guò)幾次小的更正和改動(dòng)，但是細(xì)胞膜的基本形態(tài)模型已經(jīng)確立。實(shí)際上，盡管大家真正“看”到細(xì)胞膜是在20世紀(jì)50年代電子顯微鏡足夠進(jìn)步的時(shí)候，也就是二三十年之后，但是真到那個(gè)時(shí)候，大家反而沒(méi)有那么大驚小怪了——因?yàn)榧?xì)胞膜必須存在、由磷脂和膽固醇分子構(gòu)成、是一個(gè)雙層膜的夾心結(jié)構(gòu)，在“眼見(jiàn)為實(shí)”之前就已經(jīng)深入人心并寫(xiě)進(jìn)教科書(shū)了。
實(shí)際上，這樣一種細(xì)胞膜不光是邏輯上容易理解、實(shí)驗(yàn)上得到了證明，它還非常容易形成。這最后一點(diǎn)對(duì)于解釋地球生命的起源——也許包括宇宙許多生命形態(tài)的起源——非常重要。只要把一些具備類(lèi)似油水兼具性質(zhì)的分子放在水里，它們可以自發(fā)形成一層薄膜，包裹成一個(gè)空心球的形狀。也就是說(shuō)，只要在原始海洋里的某個(gè)地方，不管是終日噴涌的海底火山，還是狂風(fēng)暴雨的海洋表面，某個(gè)化學(xué)反應(yīng)能夠批量制造出脂類(lèi)分子，最早的細(xì)胞結(jié)構(gòu)就可以自發(fā)形成，剩下的問(wèn)題無(wú)非是怎么用這種結(jié)構(gòu)把能量分子以及遺傳物質(zhì)包裹起來(lái)而已。
關(guān)于這一點(diǎn)，最動(dòng)人心魄的證明來(lái)自地球之外。1969年，巨大的火球從天而降，擊中澳大利亞維多利亞州的莫奇森，留下騰空而起的蘑菇云。人們很快確認(rèn)，爆炸來(lái)自一顆重達(dá)100千克的隕石，它墜地產(chǎn)生的碎片散布在十多平方公里的地面。人們驚奇地發(fā)現(xiàn)，這顆隕石上攜帶了大量的有機(jī)物質(zhì)——幾十種氨基酸和脂肪分子，甚至還有能夠形成DNA和RNA分子的嘌呤和嘧啶——這些物質(zhì)和米勒-尤里實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)物驚人地相似。
這些發(fā)現(xiàn)立刻引發(fā)了完全不同的兩種解讀。在一部分人看來(lái)，地球生命可能就來(lái)自這些從天而降的隕石，考慮到早期地球經(jīng)歷了密集的隕石雨轟擊，來(lái)自天外的生命物質(zhì)很可能足夠多，因此構(gòu)成了地球生命的物質(zhì)基礎(chǔ)。
而在另一部分人看來(lái)，莫奇森隕石的發(fā)現(xiàn)恰恰說(shuō)明根本不需要把地球生命的尊嚴(yán)寄托于天外來(lái)客，既然隕石攜帶的物質(zhì)如此接近米勒-尤里實(shí)驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)，那么在早期地球海洋中，在雷鳴電閃和火山噴發(fā)中制造出地球生命所需的物質(zhì)，應(yīng)該非常簡(jiǎn)單。地球生命的出現(xiàn)根本不需要借用什么天外隕石的假說(shuō)。
到了1985年，關(guān)于莫奇森隕石的研究又一次震動(dòng)了科學(xué)界。美國(guó)人大衛(wèi)·蒂莫（David Deamer）證明，從隕石上提取出來(lái)的脂類(lèi)分子也可以自發(fā)形成類(lèi)似于細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)。如果說(shuō)在此之前，借由米勒-尤里實(shí)驗(yàn)和莫奇森隕石的研究，科學(xué)家們已經(jīng)不懷疑生命物質(zhì)出現(xiàn)在宇宙中是一件平淡無(wú)奇的事情。那么蒂莫的發(fā)現(xiàn)說(shuō)明，就連第一個(gè)真正的生命——細(xì)胞——的出現(xiàn)可能都沒(méi)有人類(lèi)想的那樣復(fù)雜，它同樣可能是一件自然而然、平淡無(wú)奇的小事件！ 
“生命的外殼：細(xì)胞膜”一文以及插圖，節(jié)選自王立銘新作《生命是什么》。《知識(shí)分子》獲授權(quán)發(fā)表。
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噢，生命是什么？好期待去讀讀王老師的佳作。這是一個(gè)深?yuàn)W又很有意思的問(wèn)題?？茖W(xué)求索其中的奧秘，告訴了人類(lèi)生命神奇然絕不神秘。作為生命科研一員我也曾拜讀過(guò)薛定諤先生著作《生命是什么》，也有一點(diǎn)啟發(fā)，加深了一些生物科學(xué)問(wèn)題應(yīng)該嘗試著從生命物質(zhì)作為物質(zhì)所應(yīng)遵循的普適規(guī)律來(lái)思考。對(duì)書(shū)中提指出的物理化學(xué)規(guī)律同樣也可以用以解釋生物學(xué)事件，深感贊同。曾經(jīng)和我們?cè)洪L(zhǎng)，一些老師交流過(guò)，他們也覺(jué)得是個(gè)新思考。這是一個(gè)思想深邃的偉大科學(xué)家對(duì)科學(xué)真理的何其堅(jiān)定與自信，只要秉持這樣的信念，我相信我們也一定會(huì)揭開(kāi)生命的一個(gè)個(gè)奧秘。