牛津通识读本：分子 [9]
材料的基因
制造人工的丝状聚合物的一种办法是，使用生物技术将产丝的基因植入细菌体内。和其他蛋白质一样，蛛丝也是由DNA进行基因编码的：分子链上的氨基酸序列正是由蜘蛛染色体中的相应核苷酸序列决定的。换言之，蜘蛛拥有了制造这种聚合物的分子设计图。（不过请注意，因为吐丝过程很复杂，单凭设计图纸并不足以造出优质的蛛丝！）
生命有机体能够完全精确地指定一个聚合物的分子构成，这种能力让人羡煞。现代合成技术已经能让化学家在很大程度上掌控分子链的构成，比如他们可以通过把一种聚合物支链嫁接到另一种聚合物主链上，或者通过对调单个分子链上的两块不同部分，来制取杂化聚合物。但是，要想合成一种包含多达上千个单元的聚合分子，各种单元反复出现，顺序相当随意、复杂，此外还要保证材料中的每条分子链都一模一样，这种要求就远远超出了我们现有的合成水平。用语言学来打比方的话，当今最先进的合成分子看起来有点像这个：aaaaaaabbbbbbbaaaaaaabbbbbbbaaa……而大自然中的聚合分子则更像是我现在正在写的这整句话，其中蕴含着意义。
借助生物技术，我们可以从一种生物体的大段DNA中剪出一小段，再把它粘贴到另一种生物体的DNA中。然后，受体就会把新的基因当作它自己的（如果顺利的话），通过转录和翻译机制把相应的蛋白质制造出来。这种生物技术中具有潜在价值（我想也是争议较少）的一大方面，就是将人类的基因转移到细菌体内，之后在发酵池中培养细菌，制造医用蛋白质。不过有些合成科学家还意识到，这也是一种制造蛋白质材料的办法。
我们可以将真正的蛛丝基因转移到细菌体内，注我们也可以用这种方法“书写”并表达人工基因。结构蛋白中常包含重复的氨基酸序列，因为它们形成的纤维需要沿伸展方向保持各处均匀。要造出能合成循环序列的基因相对容易一些：只要先造出一个重复单元，然后再把若干单元合并起来就可以了。（要保证得到的合成基因中包含固定数量的重复单元也有办法。）一些研究人员已经开始利用这种思想来制造基因工程蛋白质材料，对材料分子链的特定结构进行定制。“人工设计”的类丝材料就是用这种办法制造的，别的类似于胶原蛋白和弹性蛋白（皮肤中一种有弹性的蛋白质）的蛋白质相关合成材料也可以这样制造。我们还可以设想一些杂化材料，用天然蛋白质（比如某种酶）制成人工设计的类蛋白质长链材料：比如，将蛋白质堆积成不溶于水的β折叠微晶体，形成防水的外层。在医学应用方面，这种类蛋白质材料可能的优势在于，它具有生物相容性及生物可降解性。
细胞的骨架
细胞中有纤维组成网络结构，纤维强度远高于胶原蛋白和角蛋白这样的绳索状结构蛋白。这些纤维称作微管。它们是杆状的轨道，分子引擎就沿着微管围绕细胞运送包裹。微管还是一座脚手架，细胞可以基于它来变换形状——比如让变形虫伸出伪足。在我们的呼吸道中，像汗毛一样的纤毛从细胞中突起，能推动过滤灰尘的黏液；对细菌来说，像鞭子一样的鞭毛能够在液体中驱动细胞螺旋状的运动。这两个例子其实都是微管。
顾名思义，微管是空心的，呈管状结构。它们是由一种叫作微管蛋白的蛋白质组成的。这种蛋白质并不是纤维状的，而呈紧致的球形。它包含两种几乎完全相同的分子，两个分子结合成哑铃状，哑铃又像砖块一样堆起一座圆柱形的烟囱（如图17）。
图17 微管是由微管蛋白组成的细丝，它构成了细胞的脚手架
一个个微管蛋白单元可以附着在微管的端头，也可以从微管端头上分离出去，也就是说这种纤维可以加长或者缩短。变形虫可以缩回它的“腿”，只要把拉动这条腿的微管解散就可以了。因为微管容易组装，所以它就在细胞分裂中扮演了核心的角色。一旦要分裂的细胞复制好染色体，它就开始组织两簇放射状的微管，称为星状体。来自两个星状体的微管相遇时，它们就在末端融合，两个星状体焦点之间就形成一束桥接的纤维，称为纺锤体（说到纺锤自然会想到丝，而细胞分裂就恰恰称为有丝分裂）。染色体附着在纺锤体上，两边分别向两极拉伸，将染色体拉成两半（如图18）。通过这种方式，纺锤体结构保证了复制的遗传物质分成完整的两组。接着按照微管的架构，细胞被拉分为两半，每一半都有一套完整的染色体。
图18 纺锤体由微管组成。在细胞分裂期间，染色体（图中部可见）基于纺锤体的架构进行排列和整理
抗癌药物紫杉醇（参见第29页）之所以发挥作用，就是因为它破坏纺锤体的组装，从而抑制癌细胞的增殖。它阻碍了微管的分解，而在两个星状体盲目地相互搜寻时，微管分解正起着关键的作用。可惜紫杉醇对健康细胞也会起到相同的作用。不过癌细胞分裂速度要迅速得多，所以它们受到的影响最大。
碳纳米管
在1990年代以前，几乎没有人认真地考虑过用管状分子制造高强度的合成纤维。将小分子结合成长链十分简单，但要排布成管子看上去就困难多了。
但到了1991年，在筑波NEC公司工作的日本显微镜学者饭岛澄男发现了一种管状分子，足以成为人们所知的最强韧的纤维。这种结构称为碳纳米管，是碳的原子蒸气自我组装形成的。
饭岛当时研究的技术其实是富勒烯这种碳分子的制备，这种分子包含几十个碳原子，结合在一起形成空心的笼子。第一个富勒烯是含60个原子的笼子，称作巴克敏斯特富勒烯，它是在1985年发现的。它奇怪的名字得自美国建筑师理查德·巴克敏斯特·富勒，他利用六边形和五边形的面建成建筑物的圆顶结构，引领了穹顶建筑的潮流。巴克敏斯特富勒烯——或称C60 ——恰在分子尺度上与建筑物的穹顶有着相同的结构。它用六个或五个碳原子先分别组成六边形或五边形，然后再连接成球形的笼子（如图19）。
图19 C60分子呈近似的球形，由五边形和六边形碳原子环组成
1990年，人们首次发现了大量制造富勒烯的方法。这种办法要在两根石墨棒（其中全部是碳原子）间放电。电火花的能量能够使一些石墨转化成蒸气，蒸气冷却时碳原子就重新结合，形成C60和其他的碳笼子。而饭岛当时使用了略微不同的条件去生成富勒烯，在电子显微镜下检查乌黑的残渣时，他发现了一些新东西。
他发现碳渣里面全都是针状的物体，直径只有几个纳米。再仔细地调查，他看到它们其实是碳原子组成的空心圆柱，每根针状物都包含若干圆柱，一层套一层，像俄罗斯套娃那样（如图20）。这些物体后来被称为碳纳米管。之前从没有任何人想到——即使在发现富勒烯后也没人预料到，碳原子竟会自发地以这种方式进行组织。
图20 碳纳米管的尖端，电子显微镜下的横截面图像
碳纳米管的壁面是碳原子以六边形构成的片层。这和石墨的结构一模一样，只不过纳米管的片层是弯曲的，卷成圆柱。在管的端头，片层会扭曲形成平顶的小帽。我们一般会认为石墨是种脆弱的材料——毕竟在纸上拖动它就能擦下一部分黑色的碳，所以我们才用它来做铅笔。可它之所以脆弱，是因为碳原子片层间的连接很松弛，各层之间能够滑动。而对于其中的单层，原子间的连接则很牢固，理论预测这一层分子的强度很大，堪与金刚石相媲美。当这些石墨状的原子片层通过化学键局部结合，材料的强度和刚度都会得到很大的提升，就像传统的碳纤维那样。
碳纳米管大概是终极的碳纤维了，这种管子正是石墨状的碳原子片层的无缝连接。理论预测，碳纳米管的抗拉性能比金刚石还要强，也比凯夫拉、蛛丝或者其他任何你能想到的自然的、人工的纤维都要强。富勒烯的发现者之一、在休斯敦的莱斯大学工作的理查德·斯莫利认识到了这一点，他提出，如果人们真的要建造空间电梯，那么碳纳米管可以把它固定在地球上。
不过这其中还有障碍。迄今为止，碳纳米管生长的长度还远远不到一毫米。这种绳索实在不怎么长。这也使得测定它的真实强度很难，尽管人们在微观尺度下做了一些实验，验证了这些管子确实非常强韧、坚硬。（能否与金刚石相比？人们还不确定。）
要利用碳纳米管制造可用的绳索，我们就需要研发一种控制它们生长的办法，确保它们能无限地延伸。在普通的聚合物合成中，有一种技术称作“活性聚合”，它可以使我们随心所欲地抑制并重启分子链的生长，于是越来越多的单元可以附着在分子链上，使链不断变长。如果有人能对碳纳米管研发出类似的过程，那将会是革命性的进展。但人们目前对碳纳米管如何生长仅有一点模糊的认识，更难以搞清如何控制它。注就目前而言，空间电梯还需要我们慢慢等待。
注 指线状分子横向连接成网状。——译注
注 有一项正在进行的研究工作，是将产丝基因转移到山羊体内，期望从羊奶中获取丝蛋白。——原注
注 位于佩萨克的波尔多第一大学的法国研究者菲利普·普兰和他的同事们报告了尝试性的第一步。他的课题组用这样的办法来制作碳纳米管的纤维和带状物：在类肥皂分子的作用下，让碳纳米管悬浮在水上，然后注射到黏性的液体聚合物中。从毛细管注射时，碳纳米管会排成一条线，就像蛛丝蛋白在从吐丝器射出时能够排列整齐那样。排好的纳米管彼此粘合成纤维，继而可以干燥并进一步处理。不过这种链状物并不是由连续不断的碳纳米管组成的，因此并不像传统的碳纤维那么强劲，也就更比不上金刚石了。——原注
第四章
燃烧：分子与能量
想象一下，如果汽车像人体一样，最快速度只能在短短的冲刺阶段维持一小会儿，那会怎么样？那我们就不可能沿着高速公路开到时速（不妨让我们说实话）80英里了注 ——最快的速度只够我们开半英里去商店而已。要走的路程越远，速度就会越慢，这样才不至于把可怜的车子跑坏。（没准你跟我一样，也开过这种车？）
表面而言，其实汽车和人类比我们想象的要更具相似性，这么讲的原因可不是弗兰·奥布赖恩提到的那种。注两者都通过在氧气中燃烧富能燃料来获取能量，而且都排出二氧化碳。不过汽车能以接近极速行驶很长时间而不疲劳。只要你往油箱里不断加油，它就能几乎无限地一直行驶。而短跑运动员却不能用短跑的速度跑完整个马拉松，即使不断地给他们嚼葡萄糖片也无济于事。这是为什么呢？
这个问题把我们引向了人体供能的分子机制，也就是代谢过程。在很多方面，对生命最好的惯用定义在