3-3 生 物 学

我们就这样进入了 生物学 ，它研究的是生命体。在生物学发展的早期，生物学家必须进行单纯的说明性工作——找出有 哪些 生物，所以他们要数数跳蚤足上的细毛之类的东西。当他们以很大的兴趣完成这种工作后，就进而考虑在生命体内部的 机制 问题，起先自然是从十分粗略的观点出发的，因为要知道更详细的情况是需要经过一番努力的。

在物理学与生物学的早期关系中有过一件很有趣的事，生物学曾经帮助物理学发现了 能 量守恒定律 ，迈耶（J．R．Mayer）最先在关于生物吸收和放出的热量问题上证实了这条定律。

假如我们更仔细地观察动物的生物学过程，就会看到 许多 物理现象：血液的循环、心脏的跳动、血压，等等。这里还有神经：如果我们踩在一块尖锐的岩石上，就会知道发生了什么事情，这个信息不知怎么地就从我们的脚底传递上来。有趣的是这个信息是怎样传递的。在研究神经时，生物学家得到了这样的结论：神经是非常精细的小管道，有十分薄而复杂的管壁。细胞通过这样的管壁吸进离子，所以在外面有正离子，而在里面则有负离子，就像一个电容器一样。这层薄膜还有一个有趣的性质：如果它在某个地方“放电”，即一些离子能够通过这个地方，那么该处的电压就减小，它会影响到邻近地方的离子，而这又会影响那里的薄膜，使它也让离子通过。接着这又要影响更远的薄膜，等等，于是在薄膜中就出现一列“穿透性变动”波，当神经末梢的一端由于碰到尖锐的岩石而受到“刺激”后，这种波就沿着神经传开来。它有点像一长列垂直放置的多米诺骨牌，如果末端的一个被推倒，邻近的一个也就被它带动，等等。当然，除非把多米诺骨牌再重新排好，不然这时只有一个信息传递过去。类似地，在神经元里，也有排出离子的缓慢过程，使神经又处于准备接收下一个脉冲的状态。这就是为什么我们会知道正在做什么（或者至少知道我们在哪里）。当然我们可以用电子仪器测出这种与神经冲动有关的电的效应，因为这里 存在 着电的作用。十分明显，电效应的物理知识对理解这个现象很起作用。

相反的效应是从大脑中某个地方沿着神经发出一个信息。这时在神经的末梢会出现什么情况呢？神经在末梢处分成了细微的小纤维，这些小纤维与肌肉附近的一种称为端板的结构相连接。由于一些现在还不完全理解的原因，当脉冲信号抵达神经末梢后，射出一小团一小团称为乙酰胆碱的化学物质（每次5～10个分子），它们影响了肌肉纤维而使其收缩——这一切多么简单！什么东西使肌肉会发生收缩呢？肌肉是由极多的彼此紧贴的纤维所组成的，它含有两种不同的物质：肌球蛋白和肌动球蛋白。但是由乙酰胆碱所引起的那种改变分子大小的化学反应机制现在还不清楚，因而在肌肉中引起机械运动的基本过程也未被我们所知。

生物学的领域是如此广泛，有许多问题我们根本无法叙述。比如视觉是如何产生的（即光在眼睛里做什么）？听觉是如何产生的？等等（思维是如何进行的这一个问题将在后面心理学中讨论）。但是从生物学的观点来说，我们刚才所讨论的这些关于生物学的事情实在并不是基本的，并且不是生命的根源——即使我们理解了它们，仍然不能理解生命本身。举一个例子：研究神经的人感到他们的工作是很重要的，因为无论如何不存在没有神经的动物，但是没有神经仍然 可以 有 生命 。植物既无神经也无肌肉，但是它们照样活动着，照样生存着。所以我们对于生物学的基本问题必须更仔细地研究一下。如果我们这样做，就会发现所有的生命体中存在着许多共同的特征。最普遍的特征是它们都由 细胞 组成，每个细胞内都有起化学作用的复杂机制。例如，在植物细胞中就存在着接收光线而产生蔗糖的机构，植物在夜间消耗蔗糖以维持其生存。当动物摄取植物后蔗糖在动物体内就产生了一系列化学反应，这些反应与植物体内的光合作用（以及在夜间的相反作用）有很密切的关系。

在生命系统的细胞里有许多复杂的化学反应，在反应中一种化合物变成另一种化合物，然后再变成一种化合物。为了对生物化学研究中所付出的巨大的努力有某种印象，我们在图3-1中总结了到此刻为止所知道的在细胞中出现的反应，这些反应只是所有反应中的很小一部分，只占1％左右。

这里我们可以看到整整一系列分子，它们在一连串相当小的步骤组成的循环中从一个变到另一个。这个循环称为三羧酸循环或呼吸循环。如果从分子发生的变化来说，每一种化合物和每一步反应都是相当简单的，但是——这是生物化学中非常重要的发现——这些变化在 实验室里比较难以完成 。假如我们有一种物质，还有另一种十分类似的物质，那么前一种物质并不就转变成后一种物质，因为这两种形式通常由一个能量屏障或“势垒”隔开。考虑这样一个类似的情况：如果我们要把一个物体从一个地方拿到另一个地方，而这两个地方处在相同的水平高度，但是分别在一座小山的两边，那么我们可以把物体推过山顶，但是要做到这一点需要一些附加的能量。由于这种原因，大多数化学反应都不会发生，因为有一种所谓的 活化能 妨碍这一反应的进行。为了在一种化合物中增加一个额外的原子，就要使这个原子靠得足够 紧 ，以便能出现某种重新排列，这样它就结合到那个化合物上去了。但是如果我们不能给它足够的能量使之靠得足够近，它就不会越过势垒，只是上去了一部分路程后又倒退回来。然而，假如我们真的能把分子拿在手中，把其中的原子推来推去使它出现一个缺口，让新原子进入，然后又使缺口一下子合拢，我们就找到了另一个办法，即 绕过 势垒，这不需要额外的能量，因此反应就较容易进行。现在，在细胞里确实 存在 着一些很大的分子，比起我们刚描述过其变化的分子要大得多，它们以某种复杂的方式使较小的分子处于恰当的状态，从而使反应易于发生。这些很大的、复杂的分子称为 酶 （它们起先被叫做酵素，因为最早是在糖发酵时发现的。事实上三羧酸循环的某些反应最初就是在发酵中发现的）。由于有酶存在，反应就会进行。

酶是由另一种称为 蛋白质 的物质构成的。酶分子族是非常庞大而复杂的，每一种酶互不相同，并且都控制着一定的特殊反应。图3-1中每个反应中都写上了酶的名称（有时同一种酶可以控制两种反应）。我们要强调指出：酶本身并不直接参与反应，它们并没有变化，只是使一个原子从一个地方跑到另一个地方。干完了这件事后，它又准备对下一个原子做同样的事，犹如工厂里的机器一样。当然，必须对某种原子进行补充，并且可以处理另一些原子。比如，以氢为例，有些酶具有特殊的结构单元，能在各种化学反应中运送氢原子。例如，有三种或四种脱氢酶在我们整个循环的各个地方都用到。有趣的是，有一种机构使一个地方释放某些氢原子并将其取走，然后用到其他的地方去。

图3-1的循环中最重要的是GDP转变为GTP（二磷酸鸟嘌呤核苷变为三磷酸鸟嘌呤核苷），因为GTP比GDP含有更多的能量。就像在某些酶中存在着一种运送氢原子的“盒子”一样，在酶中也有特殊的携带能量的“盒子”，三磷酸基就是这样的“盒子”。所以GTP比GDP具有更多的能量，而且如果循环是朝某个方向时，我们就产生具有附加能量的分子，它可以推动另一个 需要 能量的循环，比如肌肉的收缩。除非存在着GTP，肌肉就不会收缩。我们可以拿几根肌肉纤维，把它们浸到水里，加一些GTP，只要这里存在着适当的酶，肌肉纤维就会收缩，GTP就变为GDP。所以真实的系统是在GDP-GTP转变中，在晚上就用白天贮藏起来的GTP使整个循环往另一个方向进行。你们可以看到酶对反应进行的方向并不介意，因为倘若不是如此，就会违反一条物理定律。

物理学对于生物学和其他科学之所以极为重要还在于另一个原因，这与 实验技术 有关。事实上，如果不是由于实验物理的巨大发展，这些生物化学的循环图今天就不可能知道。其理由是：分析这种极其复杂的系统的最有效的方法就是要 辨认 在反应过程中所用到的原子。例如，如果我们能把一些带有“绿色标记”的二氧化碳引到循环中去，然后测量3 s后绿色标记的位置，在10 s后再测量一次，等等，我们就能描绘出反应的过程。那么“绿色标记”是什么呢？它们就是 同位素 。我们可以回顾一下：原子的化学性质是由 电子 的数量而不是原子核的质量所决定的。但是有这种可能，比如在碳原子中，可能有6个或7个中子与每个碳原子核都具有的6个质子在一起。这两个原子碳12和碳13在化学上是相同的，但它们的重量不同，在核的性质上也有差别，因而是可以区分的。利用这些不同重量的同位素，或者甚至利用放射性同位素如碳14，就有可能跟踪反应的过程，这是比较灵敏的探查极少量物质的方法。

现在，让我们回到酶和蛋白质的描述。并不是所有的蛋白质都是酶，但是所有的酶都是蛋白质。蛋白质有许多种，比如说肌肉中的蛋白质、结构蛋白质，它们存在于软骨、头发和皮肤中，等等，这些蛋白质本身并不是酶。但是，蛋白质是生命的非常具有代表性的物质。首先，它们组成了所有的酶；其次，它们构成了大部分其余的生命的物质。蛋白质具有十分有趣而简单的结构。它们是一系列不同的 氨基酸 。有20种不同的氨基酸，它们全都能互相组合而形成链，其骨架是CO—NH，等等。蛋白质不是别的，正是这20种氨基酸形成的各种各样的链。每一种氨基酸可能起某种特定的作用。比如，有一些氨基酸在一定的位置上有一个硫原子；当同一蛋白质内有两个硫原子时，它们就形成一个键，也就是说，它们用链在这两点上连接起来形成一个环。另一种氨基酸有一个额外的氧原子，因而使它变为酸性物质，再有一种则呈碱性的特征。有些氨基酸在一边悬挂着一个大基团，因此占有许多空间。有一种称为脯氨酸的氨基酸实际上并不是氨基酸，而是亚氨基酸。这里稍微有些差别，因为当脯氨酸在链上时，就会出现扭曲。如果我们想制造一种特殊的蛋白质，就应当按照这样的规则：这里先放一个硫钩；然后加进某种东西来占据空位；再加入某种东西以形成链上的扭曲。这样，我们将得到一个外观上复杂的链，它们互相钩连在一起，具有某种复杂的结构。这可能就是所有的酶形成的方式。1960年以来，我们所获得的伟大成就之一就是终于发现了某些蛋白质的原子的精确空间排列。在这些蛋白质中，一条链上就含有56个或60个左右的氨基酸链，在两种蛋白质的复杂图样中已经确定了1 000个以上的原子（如果把氢原子计入，那么就接近于2 000个）的位置。第一种阐明结构的蛋白质就是血红蛋白。这个发现的不足之处是我们从这样的图样中不能看出任何东西，我们不理解它为什么会具有那样的功能。当然，这是下一步需要解决的问题。

另一个问题是，酶怎么会知道该成为什么？一个红眼蝇会生出一个小的红眼蝇，这样产生红色素的整个酶组信息必定从一代传到下一代。这是由细胞核中的一种称为DNA（脱氧核糖核酸的缩写）的物质所完成的，它不是蛋白质。这种关键的物质从一个细胞传到另一个细胞（例如，精虫细胞主要由DNA组成），并且携带了关于如何形成酶的信息。DNA是一张“蓝图”。那么这张蓝图看来像什么？它又如何起作用？首先，这张蓝图必须能加以复制。其次，它必须能给蛋白质以指令。说到复制，我们可能会认为这种过程像细胞的复制。但细胞只是简单地长大，然后一分为二。那么DNA分子也必须如此吗？它们也是长大以后一分为二吗？每一个 原子 当然不会长大并一分为二！因此，除非有一种更聪明的办法，否则就不可能复制出一个分子来。对DNA这种物质的结构已经进行了很长时间的研究，首先用化学方法找出它的成分。然后又用X射线法找出它在空间的图像。结果得到如下值得注意的发现：DNA分子是一对彼此缠绕在一起的链。这些链与蛋白质的链类似，但化学结构上是完全不同的，每条链的骨架是一列糖与磷酸基，如图3-2所示。现在我们看出链是怎样容纳指令的，因为如果我们把这个链从中间劈开，就可以得到一个BAADC……系列，而每个生命体都可以有一个不同的系列。这样，也许为制造蛋白质所需的特殊指令已以某种方式包括在DNA的特殊系列里。

与链上的每一个糖相结合，并把两条链连接在一起的是一些交叉链对。然而它们并不都是相同的，总共有四种：腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶及鸟嘌呤。现在让我们称它们为A、B、C和D。有趣的是，只有一定的配对才能彼此处于相对的位置，例如A对B，C对D。当这些对放在两列链上时，它们“彼此对合”，并具有强大的相互作用能。然而C不适合于A，B也不适合于C；它们的适合配对是A对B，C对D。所以假如有一个是C，另一个就一定是D，等等。在一条链上无论是什么字母，在另一条链上则必须有特定的与之配对的字母。

那么，复制又是怎么一回事呢？假设我们把这整条链一分为二，我们怎么能制造出另一个正好与它一样的链呢？如果在细胞的物质中有一种加工部门，产生了磷酸盐、糖以及没有连在一个链上的A、B、C、D单元，那么唯一能与我们那个分开的链相连的单元必须是正确的，是……BAADC的互补体，即ABBCD……。于是，当细胞分裂时，链亦从中间裂开，一半最终与其中一个细胞在一起，而另一半则留在另一个细胞内；当它们分离后，每个半链都会形成一个新的补足的链。

接下来的问题是，A、B、C、D单元的次序究竟怎样精确地决定蛋白质中氨基酸的排列？这是今天生物学中没有解决的一个中心问题。然而，初步的线索，或者说一点信息是：细胞中存在一种叫做微粒体的小粒子，现已知道那就是制造蛋白质的地方。但是微粒体并不在细胞核内，而DNA及它的指令却在细胞核内。看来是有某种原因的。然而，现在也知道从DNA分出的小分子，不像携带有全部信息的大DNA分子那样长，而像它的一小部分，它叫RNA。但这无关紧要，RNA是一种DNA的拷贝——一个简短的拷贝。RNA不知怎么地携带了关于要制造那种蛋白质信息，跑到微粒体中，这一点我们已经知道了。当它到达那里后，在微粒体中就合成出蛋白质，这一点也已经知道了。不过，氨基酸怎样进入蛋白质，又怎样根据RNA上的密码来排列，等等，这些细节还不太清楚。我们不知道如何去解这种密码。比方说，假如我们知道了一排字母ABCCA，我们也无法告诉你要制造的是什么蛋白质。

今天，无疑没有一个学科或领域在这样多的前沿上比生物学取得更大的进展。如果我们要作出引导着人们在探索生命的努力中不断前进的最有成效的假说，这就是： 所有的物质 都是由原子组成的 ，并且生命体所做的每一件事都可以从原子的摆动和晃动中来理解。 96ZOvrSrCG/DSuQby/rZTCRkRdbSBiRQL9HZuYSTgwoWIVw8PbwKIIXVlxLtogdy