牛津通识读本：分子 [13]
注 实际上英国高速公路限速70英里每小时，作者指超速现象很普遍。——译注
注 你要是不懂我的意思，可以去读读《第三个警察》！——原注（在小说中，人和自行车融为了一体。——译注）
注 威廉·布莱克写有诗句“一沙一世界”。——译注
注 严格地讲，这条定律应该针对不可逆的变化。在能够逆向进行的变化中，熵的变化为零。所谓逆向进行，我并不是指单纯把一些移动的东西放回原位，而是指要复原一切体温的散发、一切空气的移动、一切摩擦力的作用。这也就意味着，把一件物体拿起来这个变化就不可逆。——原注
注 ATP并非细胞中唯一的能量源，却是最普遍的。某些酶催化反应会使用其他类似的富能分子，特别是三磷酸鸟苷（GTP）。——原注
注 生物化学的正统派会强调，这只是ATP水解为何释放能量的一种简化版解释而已。——原注
注 我们的身体非常复杂，很少能用普适性的论断来概括，这里自然也一样。有些组织会将大量的葡萄糖转化为乳酸，即便在有氧的条件下依然如此。——原注
注 代谢率更高的动物制造ATP的速度更快，因而更能够经受长时间的运动。蜂鸟能够近乎永远不停地急速拍打翅膀，就像永远不会疲劳的短跑选手。——原注
注 加号前的物质即TNT，加号后的化合物雷酸汞就是作者上文提到的用作引爆的物质。——译注
注 译文节选自孙法理译，《美妙的新世界》，译林出版社2000年6月版。——译注
注 德国城市，二战期间遭到盟军的轰炸。——译注
第五章
运动的精灵：分子马达
餐后演讲一般并不适宜发动革命。但理查德·费曼1959年在美国物理学会西海岸分会上的演讲是个例外，他不是个常规的物理学家。费曼是20世纪战后最具创造性的科学思想者之一，这个世界铭记着他鲜活的形象——邦戈鼓手，恶作剧大王，保险箱破译高手，现代科学中一个搞怪的形象。
费曼1959年的演讲意气风发，但他的意图是相当严肃的。他称演讲的题目为“底下还有充足的空间”，内容是有关肉眼无法看到的微小尺度上的工程。“我所想要讲的，”他说，“是在小尺度上操纵、控制事物的问题。”费曼说，所谓“小”，并不是指“小拇指指甲盖大小的电子马达”。他指的是像原子一样小的尺度。
“想象一下，”他接着讲道，“假设我们能够一个一个地按照我们的意愿来安放原子。”他看到，这实质上正是化学家努力要做到的：
当化学家想要造一种分子时，他会做神秘的事情。他发现必须要获取那种环，于是就把这个和那个混合在一起，摇一摇，瞎弄弄。经过一番困难的过程，最后他一般都能成功合成想要的东西。
你能看到，在物理学家眼中，化学家并不比外行高明多少。不过，费曼这番描述倒与普里莫·莱维对化学家如何像工程师建造桥梁一样建造分子的说法有些异曲同工之妙（参见第24页）。但其中的区别是，化学家习惯于将分子看作一种物质，能够结晶的东西，能够放在瓶子里的东西。而物理学家则将它看作一种结构体，就像是发动机的零部件。
本质上讲，费曼所思考的其实是物理学家能否找到办法去做化学家的工作，但他披了一件工程师的外衣。我们能不能通过一个一个码放原子来制造分子呢？1959年的时候，这件事对任何人来说都是无法设想的，但想象力魔术师费曼就想到了。
不过他并非毫无根据地瞎想。即便在当时，事实也清楚地表明技术会向越来越小的方向发展。1940年代晶体管的发明缩小了电子学的尺度。人们替换掉放满真空管的笨重箱子，转而使用密集式器件，里面包含了硅晶体管制成的“固态”电路。便携式晶体管收音机出现在了美国的每一处海滩上。当时工程师在制造微小的机械零部件方面的技艺水平已经日益提高——实际上远高于费曼所认识到的程度。费曼当时提供了两笔奖金，各一千美元，希望能够对微型化技术的发展起到些小小的促进作用，奖金由他提供：第一项是制造出各方向尺寸均不大于1/64英寸的电子马达，第二项是将书上一页纸的内容写在微缩的面积上，按比例缩小为原来的1/25 000。费曼大概以为这笔钱好几年都不会有人拿走，可没想到有人（一位名叫威廉·麦克莱伦的工程师）短短几个月后就完成了他的第一项挑战。
今天我们可以走得更远。我们能够用酸蚀法或者电子束法在硅片上雕刻微小的齿轮和马达，大小只有十分之一毫米（如图25）。但若将尺度缩小到大约十分之一微米，要在材料片上蚀刻就不好办了：当前使用的硅集成电路制造方法有局限，蚀刻出的导线只能细到这种尺度。要是比这个尺度还要小，这种方法就不能用了——这就好比要用切面包的刀劈开人的头发丝一样。
图25 硅片上刻出的微马达
研究人员开始思考，这种“自上向下”的方法在这种尺度上是否还有意义。其实这种小元件的尺度和分子更加接近（中等大小的分子是这个尺度的百分之一），离咱们看得见摸得着的硅片反而更远。那我们是否应该从单个的分子出发，自底向上地来制造东西呢？
普里莫·莱维在《猴子的扳手》中承认，化学家们幻想着一种能用于分子尺度建造的工具包：
我们晚上做梦都想要一套前所未有的镊子，就像干渴难耐的人梦见一泓清泉。这种镊子能让我们夹起一段分子，牢牢地夹住，让它拉直，然后按正确的方向和已组装好的部分粘在一起。如果能拥有那种镊子（可能某一天会有的），我们就可以创造很多迄今只能由万能的神创造的漂亮东西，组装青蛙或蜻蜓大概还不行，但至少组装个微生物或者霉菌孢子还是可以的。
费曼同样在分子器件和人工生物中找到了灵感：“在其中化学作用力会反复地使用，制造出各种奇怪的效应（也包括作者这种奇怪的东西）。”他意识到生物学中已经有分子机器的存在。在1959年，若是这番演讲被生物学家听到了，必定会被斥为愚蠢的物理学家妄图将自己的个人观点强加到他一无所知的领域。不过今天的生物学家已经很乐于用分子机器的名义来讨论蛋白质。
这一章，我们就来看看最引人注目的那些产生运动的蛋白质分子。它们就是分子马达，也常称作马达蛋白。和它们对比起来，当初赢得费曼奖金的那个微马达只是个粗笨的庞然大物，就像拿笨重的恐龙和灵敏的跳蚤相比。马达蛋白的生物重要性无可估量。若是没有这些蛋白质，我们就无法活动肌肉，鸟无法飞上天空，鱼无法横渡海洋，连细菌都无法活动。还有更严重的后果：细胞无法分裂，于是就再也不会有繁殖。失去驱动运动的分子，生命将不复存在。
但就分子世界的工程师而言，马达蛋白还告诉了我们别的东西。它们表明，分子尺度的工程是可能实现的：我们可以把日常世界中熟悉的思想缩小到分子的王国。从这个角度看马达蛋白并非唯一的，只不过它们十分明确地向我们展示了这一点。我将讲述我们有可能怎样通过制作定制的分子马达，从零开始来实现类似的目标。这将引领我们走向纳米技术（纳米尺度下的技术，纳米即为可用分子来度量的长度）的竞技场。在这条路上，理查德·费曼的演讲就是第一处清晰的路标。
细胞自由泳
分子的形状永远都不是固定的，它疏松的部分会一直振动、摇摆。分子世界中，机械运动无处不在。
但一般而言，分子运动要么是随机的——如聚合物长链漂在溶液中弯曲着蠕动，要么是平均化之后为零——如化学键伸缩式的振动。而真正的马达与此相反，我们需要它朝特定的方向运动——可以称之为有目的性的运动。
任何马达都要消耗燃料。你可以把这看作有规则运动无可避免的成本，是热力学第二定律强制的代价。而相反，随机分子运动就可以“免费”地进行，它无规则的分子摆动正是热的体现。
我们体内进行着很多种带有方向性的运输。比如，纤毛（像毛发一样附着在呼吸道中，包括肺部和气管）的运动能将一层黏液从肺部一直输送到喉咙，在这里就会聚集成为痰。这种黏液能够捕获灰尘，因而输出它可以维持肺部的清洁。为了将黏液向上送到气管，纤毛不能只是随意摆来摆去，而需要步调协调，有秩序地移动，就像游泳时手臂运动那样。它们运动时先像鞭子一样来一记“猛抽”，之后再缓慢地“回复”。某些单细胞原生生物的确就利用细胞表面的纤毛在水里游动。
驱动这种运动的分子马达是一种蛋白质，称作动力蛋白。每根纤毛都含有微管（参见第63页），微管围成一圈形成一支更大的管，称为轴丝。微管两两一组结合成双管，就像双筒枪那样。每个轴丝有九对双联管，双联管之间通过动力蛋白相互连接，动力蛋白就是双联管上的小突起，每隔一段就有一处，分布得很有规律，像多足的蜈蚣（如图26）。
图26 动力蛋白分子马达驱动纤毛的弯曲
为了移动轴丝，微管会交错爬行。每个动力蛋白分子都有“一条腿”，消耗ATP发生反应可以使“腿”弯曲。动力蛋白大体上就是一种酶，它分解ATP来改变自己的形状。这个反应同时还需要钙离子来触发。神经信号可以通过控制是否向纤毛注入钙离子来控制这个运动。
由于动力蛋白分子指向的方向都相同，因而微管弯曲时，双联管中的一支就会沿另一支身上爬行。如果分子只是单纯地又再次伸直，那么微管也就会回到原来的位置。为了产生向前的运动，每个动力蛋白在伸直之前，会先将自己从另一支微管身上解离开来，伸直后又再次附着在另一支微管身上，为下一轮“动力冲程”注做好准备。只有当动力蛋白的“脚”附着在另一支微管身上时，它才能够分解ATP并转换到弯曲状态。
所以，双联管的交错运动过程就类似于棘轮，不断重复着附着、弯曲、解离、伸直的循环过程，动力蛋白就在这个循环中产生了向一个方向的运动。而由于微管的末端固定于轴丝的底部，这样的交错滑动就会带动鞭毛弯曲。滑动若能够协同配合，鞭毛就能够来回弯曲。这个协作似乎是由于一对微管沿着轴丝中心运动，但具体怎样实现的人们还不清楚。
动力蛋白在细胞世界中发挥的作用更加普遍：它就是负责输送货物的引擎之一。我们的细胞中交织着微管构成的内部铁路网。细胞时不时需要重新排列内部的各个隔间，即带有膜的结构，称作细胞器。动力蛋白可以附着在膜壁上，沿着轨道推动细胞器。
这些行程是单向的。微管的两端并非完全相同：只有其中一端才能添加或除去微管蛋白（参见第64页），这一端称作正端。动力蛋白总是朝向微管的另一