牛津通识读本：分子 [5]
注 健力士（Guinness），味道较浓烈的黑啤酒，又译作吉尼斯，即吉尼斯世界纪录的创办者。——译注
注 以下框内译文引自牟中原译，《周期表》，山东文艺出版社2014 年6月版。略有改动。——译注
注 古罗马时代小亚细亚地区的一个国王。传说他为了增强对毒药的抵抗力，每天都服食一定量的毒药。——译注
注 又称染料工业利益集团，德国大型化工企业，原由多家化工公司联合而成，二战后被盟国强制解散，拆分出巴斯夫、拜耳等化工巨头。——译注
注 瑞士著名化工企业，曾与嘉基合并，后精细化工部门又独立出来。——译注
注 原瑞士著名化工企业，现诺华的前身。——译注
注 荷兰著名石油企业。——译注
注 英国著名化工企业。——译注
注 战后，盟军方面由艾森豪威尔组织起来的某个团体宣称：“若没有法本公司大量而高效的生产设施、广泛而深入的研究探索、丰富而多样的技术经验以及经济力量的高度集中，德国就不可能有能力在1939年9月发动侵略战争。”集中营使用的毒气齐克隆B正是由法本的子公司德格施生产的。——原注
注 以下框内译文引自张文宇、黄向荣译，《万有引力之虹》，译林出版社2008年8月版。——译注
注 实际上，我们可以看到在某些例子中，柏拉图不算错得很严重。原子间的确是通过特定的几何排列方式而连接的。例如碳原子喜欢坐在由其他四个原子组成的四面体中心。这跟柏拉图所想象的“火”原子的四面体并不一样，但它能说明，柏拉图对微观世界的几何观点至少跟真理有一点沾边。——原注
注 我这里谈的是传统的显微镜，即利用透镜进行聚光。现在有一些新的光学显微镜能够突破波长极限分辨率，其原理是使光源非常接近样品，并从微小的孔径中射出。迄今为止，这种方法能够将分辨极限减小到波长的十分之一。——原注
注 量子力学是对极小尺度下（通常是原子尺度）物质及其行为的一种数学描述。在这样的尺度下，物质会表现出波的性质。——原注
第二章
生命的征象：生物分子
科学家与诗人达成一致令人略感欣慰。1949年，英国生物学家J. B. S.霍尔丹因“什么是生命”这个问题陷入了深深的思考。在文章开头处，他这样坦陈：
我并不打算回答这个问题。其实，我甚至怀疑究竟有没有可能对这个问题给出个完满的回答。因为我们都知道活着的感觉是什么，就像我们能感觉到红色、疼痛和力气。我们却无法用别的什么词语描述它们。
艾米莉·狄金森说得更加简练：
自然真意人皆悟，道常无名未可言。
而霍尔丹则继续探索道：
生命是种化学过程的模式。这种模式有特殊的性质。它和火焰燃烧的模式相似，但又比火焰多了自我调节的功能……因此，当我们说生命是一种化学过程的模式时，我们说出的内容确切而且重要……但若要全然照此解释生命，则无异于把生命还原成机械作用，我相信这是不可能的。
生命是否只是些相互作用的分子，极其繁复却也能从原理上阐释？抑或生命还涉及更多的东西？我们还不知道。科学家采用自底向上的方法来研究，他们做出尽可能少的假设，只提出能够加以检验的学说。这种方法会不会最终触及一个极限，那之后科学再也无力延伸，这我们说不清。不过，现今这样的终点还没有明显出现。生命——我们可以宽泛地将其定义为能够繁殖、能够对外部条件做出反应并从环境中获取养分的有机体——确实有可能仅仅只是分子及分子间的关系而已。而且，这种可能性确实极大。不过这并不令人失望，反而是非同凡响的。分子们串通一气竟然能创造出《李尔王》，正是这种无限的可能造就了这个神奇的世界。
可是，我也认为人类的思想（更不用说思想所创造的奇迹）永远不可能仅用分子的理论来解读，就像我们也不可能用字母表来解读李尔王。大多数科学家也都相信如此。现象是分层级的，我们不可能只考虑发生在第一梯级上的事情，然后就理解所有梯级上的事情。无论我对晶体管工作原理了解得多么透彻，我都不可能从中推断出为什么电脑会死机。如果我播下种子没有发芽，那最好应该考虑土壤中养料、湿度和温度的问题，而不该对种子进行基因分析。从事科研的很多技能都有赖于弄清你在研究哪一个层级，进一步讲就是要明白什么与研究相关，什么无关。
在我们探索生命世界的分子之前把这些说清楚很有必要，因为生物学的分子观点常常被贴上还原论的标签，即试图在基因的分子层面上解释生命的方方面面。有时候，分子观点确实是推进研究的最佳方法，因为分子毕竟是生命基础的最小功能单元。但如果我们像多数科学家一样能够同意，在阶梯上降到微观世界层级就必须抛弃其他范围的关于生命的问题和答案（比如：意识是什么？），这样的下降就不会引起明显的异议了。
实际上，通过分子观点这条途径，我们还能更清楚地认识我们自身的自然基础。分子生物学帮助人们填补上了查尔斯·达尔文进化论的主要鸿沟，即自然选择的机制问题。分子生物学至少让我们略知一二，生命如何出现在这遍布气体、岩石和水的星球上。它拯救了生命，缓解了痛苦。它帮助我们理解，为什么药物并非总是如愿发挥效用，为什么抗生素的滥用会培养出超级病菌，艾滋病毒怎样为非作歹。对生命分子的研究成为20世纪后半叶的主流科学，而且看起来还将在我们未来的生活中发挥更显要的作用。这个科学领域中的知识可能将会越来越普及，而不再是奢侈品。
生命活力
人们一度认为，有机化学和别的化学不一样。19世纪早期，不少科学家相信有机物质是生命有机体中生命活力发生作用的产物，化学家是不可能在实验室中仿制的。但到了1818年，颇有名望的瑞典化学家约恩斯·雅各布·贝采里乌斯从生命活力的思想中隐约看到了某种循环证明，阻挡了人们进一步发展的希望：
从我们的观点来看，动物体内多数现象的原因都隐藏得很深，永远无法找到。我们将这些潜藏的原因称作生命活力。和很多其他的概念一样，前人欺骗性地导向这样的论点只是徒劳，而我们为自己则创造出这个词语，不能附加新的观念。
紧接着，贝采里乌斯又提示我们怎样更上一层楼：
这种生命的力量，不是我们身体的组成部分，也不是身体的某种机能，也不是一种简单的力量。实际上，它是身体机能与原料之间相互作用的结果……
这正是关键。理解生命的分子基础，与其说是要去搞懂生命分子都是些什么，不如说是要理解生命分子相互间做些什么。生命的分子本性并不是一场陈列，而是一支舞蹈。在后面的章节中，我会叙述其中的一些舞步。而在这里，我想简要地介绍部分角色。
在霍尔丹的时代，人们常将生命看作一系列化学变化，就像是把实验室里的玻璃仪器连成巨大的网络。科学家们相信，一切的关键就在于代谢作用，即我们如何从食物中获取能量。但是，光把细胞的组分分子提纯扔到锅里可造不出有机体来。现代的分子生物学则关注时间与空间下的组织。生命分子在细胞各个隔间中是如何排布的？它们怎样在周围移动？它们怎样相互沟通来统一步调？我们现在之所以能够提出这些问题，正是因为我们已经可以在分子层面上来研究细胞，对工作的分子进行测量和拍照。于是，细胞成为了一个社群。
不过这个社群可是相当复杂的。分子生物学的困难之处与理论物理学并不相同。它的概念并不陌生、抽象，或者在数学上很艰深。分子生物学之所以困难，是因为同时发生的事情太多。当我们的分子机器运转错误时，我们会有惊吓甚至休克的反应，但更惊人的是它竟然还是完全可以运转。分子机器经常如此，它设计的目标就是要十分牢靠，以面对这个世界的变迁。分子机器里有检查点，有安全机制，有备用预案，还有细致的记录存档。没有任何人造机器能达到细胞这般缜密的组织程度。
我们应当记住，细胞是个自动机器的社群。社群的各个成员没有意志，没有远见，没有记忆，没有利他之心（严格地讲也没有利己之意）。可是它们常常优美地共同协作，导致我们很容易忘记上面这一点。另一方面来看，细胞也会捉摸不定，因为我们对它们怎样工作了解得太少了。当我们预期它们死亡时，它们却可能存活下去；当我们给它们提供试验的药物时，它们可能发生出乎意料的反应。
分子生物学在细胞层面发挥效用，而很少谈论整个生物体。细胞可谓是“生命的原子”——你无法找到更小的存活单元。（病毒是一种具有争议的例外情形，它们只不过是基因穿上了外套，但除非去感染细胞并攻击其组织，否则病毒是无法繁殖的。）但这也并不见得说明这种视角很受局限，因为我们可以根据单个细胞的内部活动，来理解相当多的我们人类的需要。人体细胞需要氧气和糖类来制造新分子并且自我复制，所以我们需要呼吸和进食。神经刺激起始于细胞的层面。人体各种组织——皮肤、毛发、骨骼、肌肉——都是细胞里的分子一个个堆积起来的。我们排泄是为了将细胞中的垃圾清走。发抖、出汗都是我们为了稳定细胞温度的措施。换言之，很多关于人体功能的问题都可以在分子生物学的层级上得到回答。当然了，也有很多不能这样解答的问题，它们多是最有意思的生物学问题。
细胞里的大腕
霍尔丹将生命是“蛋白质的存在方式”这一命题的提出归于恩格斯。（霍尔丹是一位社会主义者，并非为了生物学而阅读恩格斯的著作。）这种活力论观点隐含了蛋白质内在具有生命之意，但霍尔丹抨击了这种想法。不过霍尔丹并不反对的观点是，蛋白质乃是生命的材料。
蛋白质在生命细胞中处处皆是。很多蛋白质是酶，即催化化学变化过程的分子。酶能够以数百万倍的系数加速化学反应，确保体内的化学反应不致慢得难以想象。酶是在研究发酵的过程中被发现的，酶的英文enzyme正是希腊语“在酵母里”的意思。19世纪晚期，人们发现从酵母细胞中可以获取酶并提纯，虽然酶已经不再是生命系统中的一部分，但它还是可以继续进行发酵。这项发现帮助人们认识到，生命中的化学同样也遵循与非生命物质相同的原理。
如果细胞是座城市，酶就是其中的工人。为了维持城市运转，原始材料输入细胞并转化为有用的东西。酶就是工厂里的工人，推动这项工作完成。而这个产业里令人好奇的一点是，它还包括负责制造工人本身的工厂——酶自身也是在生产线