牛津通识读本：分子 [10]
摸摸你的手，你会觉得它是暖的。（要不是的话，就摸摸腋下或者舌头。）我们的身体一般都比周围环境要暖。无论行走还是睡眠，我们的体温总保持在接近37℃的健康温度。要维持它只有一种办法：靠细胞持续输出热量，这是代谢的一种副产物。热量并不是这里的关键问题，它只不过是无法避免而已，因为任何能量转化都必然会像这样浪费掉一部分。我们代谢过程的根本在于制造分子。细胞若不持续地更新自身就无法生存，它们需要为蛋白质制造新的氨基酸，为细胞膜制造新的脂类物质，为细胞分裂制造新的核酸。只要我们活着，细胞的车轮就不能停下，而转动车轮正是要消耗能量的。
因此，细胞的社群颇像我们对工业革命社会的那种老印象：在大规模的社会化生产中，一大批工人专门生产能量。在我们的肝脏中，制造能量是头等大事，里面每一个细胞中都有成百上千个能量工厂。就像威廉·布莱克《耶路撒冷》中所写的黑暗邪恶工厂，它们既制造有用的东西，也制造垃圾。不过细胞整体会有更有效的办法防止垃圾污染自己的卧榻。
既然制造能量对生命至关重要，那么代谢中的任何瑕疵都会令人不安。我们能看到生命是多么脆弱——但凡哪个过程中断了一下，整个系统就会陷于停滞，就像我们的社会结构要依赖于连续不断的电力和燃气供应一样（更不用说清洁的空气和充足的水）。而人体这台机器（请原谅这种启蒙时代的比喻）非常可靠，如果情况顺利能运转80多年之久，直到各部分无可逆转地失效，这正是进化之创造力的深刻证据。
火的研究
还是让我们从简单的，至少貌似简单的说起。1850年，英国科学家迈克尔·法拉第在伦敦的皇家研究所开了一系列讲座，题目是“一支蜡烛的化学史”。他希望展现，在蜡烛火苗耀眼的光亮中，我们能够读出整个化学科学（那时人们所理解的化学）和超越化学的更多东西。他这样讲：“要说自然科学研究的入门，没有比这更佳、更人人皆宜的敲门砖了。”
在训练有素的学者眼中，任何一种自然现象都可以是布莱克的那一粒沙，注都可以是窥见无垠世界的一扇窗。蜡烛自然也是，尤其是在19世纪的伦敦，那时的展示讲座还无须让人目眩神迷。我虽不太清楚内燃机是怎样工作的，却知道它和蜡烛燃烧的区别并不大。蜡烛燃烧是氧化反应，即某种燃料与空气中的氧气结合，产生热以及——此例中还有的——光。
即使是石蜡的燃烧，人们至今也并未完全搞清其中的所有细节。而当时的法拉第，自然也肯定没有明白问题中的许多重要方面。不过，燃烧的本质其实就是产生能量的一切化学过程的本质。首要条件是，它必须是个下降的过程。
这是化学变化中的一个关键点，也是宇宙中一切变化过程的关键要素：变化都包含上升和下降这两种方向，而在充分自然的情况下，变化都会朝向下降的方向。而上升和下降的地形是谁决定的呢？归根结底，决定性因素是一种现在略显神秘的东西，称为熵。无人能够反驳的热力学第二定律这样讲：在一切变化过程中，宇宙的熵总和都保持增加。注
在流行文化中，人们把熵等同于无序。这是个还不算坏的简化：系统的熵所度量的是，有多少种办法能够重排系统中的原子，而又不引起任何可察觉的变化。如果有人进入我的办公室，将本已乱七八糟的纸张重新打散成若干堆，这样的变化我很有可能不会察觉到。但如果像做梦一样，他把所有论文都认真地整理好，排序归档，那我马上就会注意到这个变化。粗略地说，相较于无序系统，有序系统中不可分辨的重排方式较少，因此熵较低。
第二定律其实表达的是这样一件事：系统从有序向无序发展的可能性较大，不过是因为无序的可能数量要比有序的可能数量多。若系统包含好几万亿个分子，这种概率化的陈述就几乎成了确定性的。第二定律之所以称为定律，只是因为违反它的可能性极小，几乎不可能发生。
不过确实在某些情况下，事物会变得更加有序。水蒸气冷凝可以成为对称的六角形雪花。宇宙定律也不能阻止我们把一堆砖块排列起来盖成房子。这些情况都是真真切切的，但它们并未违反熵增加原理。原因是，第二定律对于宇宙整体才适用。我们可以使某一部分变得更加有序，但却要以更大的代价让别处变得更加混乱，以补偿那些有序性的增加。一般这种补偿的形式是热量。我们的确可以通过辛劳工作砌一堵墙，但墙砌好了，我们的身体也向环境中辐射了不少热量，增加了周围环境的无规则热运动，而熵的总账保持盈余。只有增加无序性才能得到秩序。
而生命细胞显然无视熵增的压力，维持着自身的组织结构。为了解释其中的缘由，物理学家埃尔温·薛定谔在《生命是什么》一书中提出“负熵”这个有点模糊的概念，讲生命有机体能够从环境中摄取它。这听起来有点像是某种生命活力论乔装打扮成了热力学的样子，而且今天我们还会在言谈中听到有的人将酶称作“逆熵器”。不过，生命的机理没什么特殊或神秘的。再摸一下你的手（腋下、舌头）。你的身体所做的不就是将熵从体内抽到环境中吗？
我前面说到，化学变化都朝向下降的方向。但有时候，变化似乎会表现出朝着上升的方向。酶就特别擅长将分子向上升方向驱赶，而非生物的世界也会发生这种情况。但在这些例子中，方向之所以会逆转，是因为它有更强大的下降反应过程在驱动。你可以将一个物体推上斜面，只要它和另外一个更重的物体通过滑轮连接，而另一个物体在下降就可以了。重物体下降，轻物体上升。化学家彼得·阿特金斯这样讲：“理解……生物化学，本质上就是要在巧妙遮挡的幕后寻找重物。”
生物化学中的能量制造，基本上就是要在单个重物完全落下之前，拉起尽可能多的重量。像我们这样的动物，重物就是食物分子中蕴藏的能量。
我们也可以用河流中的水力发电来打比方。无论我们做什么，河水都是要下降的，它永远不会自发地流回到高山上。于是我们的目标就是捕获下落过程中尽可能多的能量释放。这也正是我们体内的能量工厂与蜡烛火苗间的主要区别之一。火苗中的燃烧是不可控的，我们只能得到光和热。而在人体中，燃烧受到严格的控制，按照一层一层的顺序分步进行，化学能量就在各个步骤间被释放或者储存。
燃烧的糖
发电厂会燃烧煤、石油、天然气，但显然它不仅仅只是一个扩大了的燃烧的锅炉。燃烧只是达到最终目的的一个手段。热量用来将水变为水蒸气，水蒸气的压力推动了涡轮机，涡轮机带动电线线圈在大磁臂中旋转，于是电线中就产生了电流。在这个过程中，化学能转化成热能，再转化成机械能，最后转化成电能。所有发电厂都会有大量安全和管理机制：有人工去检查压力仪表，检查运转机件结构是否完好；自动传感器会进行测量；故障应急装置能够防止系统发生灾难性的故障。
细胞中的能量制造也一样复杂。简短的一番描述根本对不住这系统的非凡美妙。细胞似乎把一切事情都考虑到了，用蛋白质器件来精细地调整一切。
细胞的主要投入产物是燃料和氧气，即食物和空气。细胞若是缺少氧气，它们的火苗就会熄灭。我们可能会在食用之前对燃料施以一番精致的烧炙，因为这些初步的燃烧能创造出令味觉愉悦的化合物来。但无论是巧克力棒、菠菜叶还是猪蹄，任何食物都会在之后被分解为更加同质化的燃料。这是在消化时发生的，胃和肠道中的酶能够将烹饪的美味分解为原始的分子组分。
食物中有多种富含能量的成分，本质上可以分为糖类、脂类和蛋白质。糖类是由葡萄糖分子连成长链形成的聚合物。消化过程中，脂类可以分解为脂肪酸分子和甘油分子。同等质量下，脂类包含的能量是糖类的两倍，心脏有65%的能量都是从脂类中获取的。
葡萄糖是代谢过程中的主要“重物”之一。它在酶的辅助下氧化，推动一种名为三磷酸腺苷（ATP）的高能分子形成，这种分子就在细胞的其他过程中充当能量来源。ATP是生物化学的能量包。很多酶催化的反应都需要ATP来推动反应往上升方向进行。注 ATP是维护细胞完整及组织结构的关键，所以细胞要通过燃烧每一个葡萄糖分子来不遗余力地制造尽可能多的ATP。食物氧化所释放的能量中，约40%保存到了ATP分子中。
ATP之所以富含能量，是因为它有点像弹簧。它包含三个磷酸基团，像火车车厢那样连接起来。每个磷酸基团都带有一个负电荷，这也就意味着它们之间会相互排斥。但它们又被化学键结合在一起，因而无法逃出彼此的魔爪。当它们被拉开时，磷酸基团的斥力就会突然爆发。注
磷酸基团间的化学键可以在与水的反应中被切断，因此这种反应也称作水解。每当有一个键水解，能量就会释放。ATP把最外层的磷酸释放出去，转变成为二磷酸腺苷（ADP）；再将第二个磷酸砍掉就变成单磷酸腺苷（AMP）。两次切断都会释放出相当多的能量。
消化系统
自食物刚进入口腔起，分解食物的工作就开始了。唾液中包含一种称作淀粉酶的消化酶，能够将糖类聚合物斩断成葡萄糖。这也就是为什么食物咀嚼之后会变得更甜。在蔬菜中，可消化的糖类大多是淀粉。植物细胞壁中的纤维素也是一种葡萄糖的聚合物，但它能抵御淀粉酶的攻击。
在胃里，食物会遭到更严苛的处置。由于盐酸的存在，胃液像电池酸液一样具有了腐蚀性。酸液使得食物分子中的蛋白质螺旋变得松散，以便胃液中的胃蛋白酶来分解。
不过胃还仅仅是个存储未消化食物的器官而已。胃容物离开胃进入小肠后，降解过程更加活跃。小肠液中包含许多种体积小、干劲大的酶，每种酶都专门负责一种拆解任务。淀粉酶分解糖类，其他酶分解蛋白质、脂肪和核酸。分解后的碎片会通过肠道内膜被身体吸收，进入血管和淋巴管，之后营养物质就被输送到身体各处。肠道内膜上有很多微小的褶皱，还有指头状的突起，称作小肠绒毛；这些结构大大增加了肠道的表面积，从而确保营养得到高效的吸收。如果将它们拉平，那么一个人的小肠内膜表面积足以覆盖一个网球场。
很多消化酶都是在胰腺中合成的，胰腺有连接到小肠的导管。这些消化酶分子制造出来是为了分解掉我们细胞的那些组成成分，那么它们为什么不会破坏我们自身的组织呢？
这些酶在制造时都附带了一个分子保险栓，这个保险栓能够使酶失去活性。这时的