第六节
完善的细胞膜形成

在生命初期，由脂肪酸等比较简单的分子组成的细胞膜还不完善，作为细胞墙壁的阻隔作用还比较差，只能留住比较大的分子如蛋白质、RNA和DNA，但是对于尺寸很小的离子如钠离子和钾离子，是没有阻隔作用的，这些离子也就可以自由出入细胞。但是后来发生了一种情况，迫使细胞把“门户”关紧，不再让离子自由出入，这就是环境中离子的组成状况发生了不利于细胞的改变，从富含钾离子变为富含钠离子了。

在地球形成之初，组成地壳的主要是一种含富钾和磷的岩石，叫克里普岩（英文缩写为KREEP）。这些岩石被风化以后，钾离子就溶于水中，形成富含钾的水溶液，而生命就是在这样的环境中产生的。检查生物中最古老的蛋白质，发现它们的功能需要钾离子，就连rRNA催化氨基酸连接成为蛋白质的反应，也需要钾离子，而钠离子有抑制作用。这些事实表明，最古老的蛋白质和具有催化作用的RNA都是在富含钾的水中产生的，它们的功能也都需要钾离子。

在大约40亿年前，克里普岩由于风化和地壳运动而基本从地球表面消失，新的岩石如花岗岩出现。虽然花岗岩中钾和钠的含量差不多，但是在花岗岩的风化过程中，钠比钾更容易溶出，使地球表面的水从富含钾变为富含钠。由于早期生物的细胞膜对各种离子是通透的，细胞内的钾离子浓度不断降低，而钠离子浓度不断升高，对生命活动越来越不利。但是在那个时候，蛋白质和rRNA对钾离子的依赖已经无法改变，如果没有一种办法来保持细胞内的钾离子浓度，同时防止钠离子进入细胞，生物就可能灭绝。

为了适应这种状况，有些生物改变了细胞膜的组成，从脂肪酸改为磷脂。磷脂分子有两条脂肪酸组成的尾巴，这两条尾巴连在一个甘油分子上，甘油分子又和一个磷酸分子相连，磷酸分子再连上亲水的分子如丝氨酸和胆碱。这样组成的磷脂分子和脂肪酸一样，也是两性分子，即同时含有憎水部分和亲水部分，但是由磷脂组成的细胞膜的质量却高多了，既可以阻止钾离子逃离细胞，也可以阻止钠离子进入细胞（图2-11）。

直到现在，所有生物细胞内钾离子的浓度都远高于钠离子的浓度；而细胞外的情形正好相反，是钠离子的浓度远高于钾离子的浓度。保持细胞内高的钾离子浓度，使生命活动能够有效进行，正是由磷脂组成的细胞膜的功劳，所以从原核生物中的细菌，到真核生物中的真菌、植物和动物，细胞膜都是由磷脂组成的，就连磷脂中脂肪酸的种类都差不多，主要为软脂酸、硬脂酸、油酸和亚油酸。

不过生命毕竟是一个开放系统，必须不断地和外界进行物质交换，让营养物质进来，让废物垃圾出去，怎么解决这个问题呢？那就在膜上装上蛋白质，叫作膜蛋白，这些蛋白质分子穿过膜，中间有通道让物质进出，相当于在墙壁上装门和窗户。不同的通道让不同的物质进出，而且这些通道还可以根据需要打开和关闭，细胞就可以有控制地和外界交换物质了（图2-12）。

由磷脂组成的细胞膜虽然对钠离子和钾离子有很强的阻隔作用，但也不是严丝合缝的，钾离子还是会缓慢地泄漏出细胞，钠离子也会缓慢地溜进细胞。为了维持细胞内高的钾离子浓度和低的钠离子浓度，细胞膜上还出现了离子泵，这些泵也是蛋白质，可以不断将细胞内的钠离子泵出去，把细胞外的钾离子泵进来。

由磷脂组成的细胞膜的出现，不仅使细胞内钾多钠少的情形得以保持，使细胞的生理活动得以正常进行，磷脂膜对离子的阻挡作用还被细胞利用，以新的方式来转换能量，从而大大提高能量利用的效率。