牛津通识读本：分子 [7]
RNA的世界
所有的生命有机体——从最卑微的细菌到最尊贵的国王和王后，都将遗传材料包装在DNA中，并通过蛋白质来发挥作用。这也就暗示着所有的生命有一个共同的起源。注最原始的单细胞生物必然包含着蛋白质和DNA，正与现今“简单的”细菌相仿。
但是在那之前是什么呢？DNA编码蛋白质，蛋白质帮助DNA运转并复制，即便在细菌的体内，分子间共生关系也如此纷繁奇妙。无论是DNA还是蛋白质，结构都太过复杂，太难随机组装，在早期地球的海洋和湖泊里不太可能从零星分布的有机分子碎片自发形成。要理解38亿年的进化史里最早期的细菌或藻类怎样演变成今天的生物体，这尚属简单（至少在原理上）；而要理解大约短短几十万年时间里地球怎样从不毛之地演变成生命的摇篮，这可就难得多了。
化学家们设想了很多种原创性的方案来解释，他们认为甲烷、二氧化碳、氨、水及氮气等地球早期无机组分可能转化成了制造生命所需的氨基酸和糖。不过这些方案都是探索性的，没有哪一种理论能在生命的化学起源问题上占据优势。然而，岩石、气体和水怎样转化成生物分子原型在概念上也还不算最难，更难的是，这些组成单元是怎样演变成填满了DNA和蛋白质并且运转起来的细胞。这是一个鸡和蛋的问题：若不是两者共存，单有蛋白质或者单有DNA都全无用处。
解决这个谜团的一个好办法是，转而关注两者之间的不起眼的RNA。RNA负责将遗传信息携带到合成蛋白质的地方去。与DNA相比，RNA是个多面手。在1980年代，人们发现RNA可以在自身的重排过程中充当催化剂。人类基因里面有很多“废话”，在清楚地阅读之前需要先切掉它们（参见第140页）。这些“废话”会被复制到RNA上，但在RNA翻译为蛋白质前会被剪掉。这项编辑工作多由酶来完成，但也有RNA分子能够独立完成。这些RNA称为核酶，显示它们具有酶的倾向。
在1990年代，生物化学家大大扩展了对RNA能力的认知。他们使用了操纵和改写DNA的生物技术，合成出各种各样的RNA分子，能用来引导各种各样的化学过程，比如将核苷酸连接起来，或者在碳原子间成键。这些研究揭示了，原则上RNA相当万能，足以引发生命起源所必要的化学反应。简言之，RNA既可以是基因携带者，也可以是工人。
因此，不少研究生命起源的科学家提出假说，认为在蛋白质与DNA交互作用诞生之前，存在一段称为RNA世界的时期。在与原始地球相仿的条件下，要制造RNA分子同样困难得可怕。不过RNA世界已经打破了蛋白质与DNA相互依存的困境，也概念化地连接起小有机分子的形成和首个原始细胞的出现。
合成生命
如果我们最终理解了生命的起源——不一定了解事实上怎样起源，但至少知道可能怎样起源——那我们是否能在实验室中重现呢？我们能否从零开始制造生命呢？
对于生命的分子基础，人们已经了解得相当多，研究者完全能够猜测出要怎样建造出人工细胞。这听上去似乎是个有点吓人的前景。如果我们恰好造出一个细胞，它在自我复制方面比“天然”细胞远为出色，那该怎么办？它们会不会像外星人入侵一样殖民我们的星球？
这并不是科幻小说。实际上我认为，无论是好是坏，首例合成细胞会在21世纪内制造出来。如今合成DNA、改写基因已经是非常常规的工作了，很多化学家正致力于从头制造人工设计的蛋白质。生物化学家杰克·绍斯塔克、戴维·巴特尔和皮尔·路易吉·路易西曾经提出：
定向进化和膜生物物理学的进步，使合成简单的生命细胞即便不是可预见到的事实，也已经是个可以想象的目标了。
他们提议，可以通过特制的核酶来构建“极小细胞”。已有学者报告，初步制出了能够组装RNA的核酶（因此RNA也就有潜力自我复制）。人们可以把这样的RNA像普通细胞一样包裹在人工的膜中，但这种膜还需要具备能够增长和分裂的能力，而路易西恰恰造出了这种“可复制膜”。这种能够自我复制的“原细胞”可能会演化出能够把氨基酸组装成蛋白质的RNA分子。研究者称这就使得我们能够“重放早期演化的录像”。
有人预感到这种实验会被用于邪恶的目的。他们应该记住的是，致命的化学和生化武器已经比较容易制得，相比之下用这种手段来开发致命武器要困难得多，选择它很荒唐。不过我们也不可能知道这样的研究会走向何处。这正是分子科学的现实：它是个创造性的学科，最后总能够给予我们努力得到的实物成果。这一路上充满了艺术，充满了奇观，充满了危险，而最终得到的只是我们应得的分子。
注 我们并不知道DNA-蛋白质组合是否是生命的必要条件，不宜草率地断定生命一定没有其他的分子基础。但其他可能的分子基础迄今还没有发现。其实不难想象，对DNA作一些轻微的系统性修改就可能创造出另一种基因系统，但还没有哪种生命体表现出这样的情形。——原注
第三章
承载压力：由分子而来的材料
空间旅行最困难的部分（除了无聊和危险以外）在于出发。在虚空的空间中，没有太强的引力作用，一次小幅的推进就能使火箭移动几乎无穷远。因此，火箭装载的大部分燃料仅仅是用于让火箭逃离地球的引力。这些燃料和燃烧它们的发动机就占据了火箭总重的大半。我还清楚地记得，“阿波罗号”在离开地球时高大得像座耀眼的大厦，返回来时却小得像鼻尖似的。
因此，要是我们可以从地球的大气层外发射飞船，那负荷就能大大减少了。亚瑟·C.克拉克在小说《天堂的喷泉》里提到过有可能怎样实现。他设想了一种空间电梯：在对地静止的卫星轨道上置一平台，然后用超强的长缆绳将它与地面连在一起。空间设备和乘客首先通过穿梭电梯从地面输送到平台上，然后从平台发射到太空中，这样所需的燃料比起从地面发射就只是一小部分了。
要把绕地运行的平台与地表相连接，我们就需要特别强劲的缆绳，比现今已有的任何一种东西都要强劲得多。这种缆绳还要很轻，要是用普通钢缆就太重了。
其实，要解释我们为何需要具备结实、强韧、耐腐蚀、轻便等特性的材料，并不非得借助于空间电梯这种幻想的概念。但这样的情景能够激发我们思考，到底可以将材料的特性推进到何种程度。我们还可以考虑将超强劲“空间绳索”用于太空发射，先把载荷用缆绳连到绕地卫星上，然后像弹弓一样发射出去。这样的绳索要又轻又结实。即便是在非常普通的需求中，结实的缆绳也求之不得：比如悬吊桥梁，以及在海底固定钻井机。
然而，强韧纤维一直都在我们身边，我们很幸运地接受了大自然大量的馈赠：丝、麻、木材、毛发。在革命前的俄国，人们用蚕丝来防弹。如今为了相同的目的，人们研发出了人造蚕丝。
塑料时代正式开始于20世纪初，这个时代除自然纤维以外，人们又有了合成纤维作为补充，它既有优点也有缺点。最初的塑料是在不断地试错中发明出来的；现代的塑料与此相反，是依据应用场景从分子层面设计出来的。这一章将从分子的视角来看材料，我会把讨论内容同时集中在自然纤维和人造纤维上，因为它们提供了特别美丽且图像化的例子来说明，分子结构如何影响工程师所忧心的材料特性。
不过分子科学和材料工程的互动远比这小小一面要广泛得多。人们可以设计分子，让它们转化为超硬的耐高温陶瓷材料。航天工程、轮机制造和发电中会用到这种材料。人们还可以设计分子材料（尤其是聚合物材料），让它们导电，捕获、传输及转化光脉冲，过滤其他分子，或者保护界面不受污染和侵蚀。其中包括根据环境自动发生变化的“智能”材料，可以用作自动的开关、阀门或者泵。分子材料在医学方面的影响更是举足轻重，而且在未来还会日益强大：它为我们提供了义肢、人造器官和组织、药物控制系统、可生物降解的手术缝线，以及监测身体健康状况的传感器。未来有可能分子工程会培育出新的肾脏或心脏，用来移植以取代损坏的脏器。
身体的缆绳
要说我们的身体是蛋白质组成的许多细胞共同体，这一观念其实并不符合我们的体验。我们会感知到身体是各种结构的交织，包括皮肤、骨骼、肌肉、毛发和指甲。这个材质框架具备让我们与周围世界互动的必要性质。皮肤外表只是一个保护层，细胞一旦形成了这样的组织就会按既定程序死亡。起到保温隔热作用的毛发也是这样。指甲同样如此，它们其实是过去能够抓、刺、撕、扯的爪子在进化过程中的残余。骨骼和牙齿主要由坚硬的无机材料磷酸钙组成。这些材料中的大部分都在我们的一生中不断更新，也有一些不更新，如眼球晶状体中的蛋白。
身体中的这些自然材料发挥着机械性的作用，维持身体结构完整。它们就像楼房中的砖块、大梁和外墙，保护工人们免遭坏天气的侵扰，并在其中安置正常经营所必备的复杂电线和水管。身体很多结构组织都是蛋白质。组织蛋白和酶不同，不需要执行那些精巧的化学变化，它们无非得有（例如）坚韧、有弹性或者防水的特性罢了。原则上讲，许多非蛋白质的材料也都满足这些条件，如植物就是用纤维素（基于糖的聚合物）来构建自身组织的。但蛋白质的奇妙之处在于可以千变万化。它的分子链可以编织成强韧的纤维，而交联注或交缠起来则可以形成角或者爪子的坚硬基质，或者形成有弹性的薄层。而且，制造蛋白质所需的原材料在细胞中非常充裕。蛋白质是在基因中编码的，所以赋予结构蛋白力学性质的相应分子特征可以精细地调节，整个分子可以可靠地复制。
人体中含量最大的一种结构蛋白占全部蛋白质总质量的四分之一，这就是胶原蛋白。这是一种比较简单的蛋白质，其链状分子中大部分是两种氨基酸：甘氨酸和脯氨酸。分子链中每三个氨基酸就有一个是甘氨酸，中间夹着脯氨酸和别的氨基酸（尤以赖氨酸为多）。中间的脯氨酸单元经过化学修饰，加上了一个氧原子。这一过程有维生素C的参与，这也就是人体需要维生素C来保持组织健康的原因。缺乏维生素C将导致坏血病，病因就是损坏的胶原蛋白没有被替换。
天然的蛋白质结构材料与大多数合成的聚合物塑料有所区别，胶