二十世纪最“反直觉”的伟大生物学发现:化学渗透

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来自  曼斯.雷德

在以前本小组的讨论中,我曾提到 “比如你如果不理解所有生物共有的膜渗透能量供应化学原理,你就根本无从评价任何生命起源的理论。”

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一 直觉与反直觉

直觉(intuitive)和反直觉(counterintuitive)是科学讨论在描述一个科学理论或者发现的时候,经常使用的二分法。这个叫法本身并不那么科学和严谨,但是其中的意味却是无限深长的。
既然不严谨,我也不去定义它,只看范例:

最简单清楚的直觉理论,在古希腊科学有很多范例。比如“物体排开的水量等于它的体积”。比如欧几里得平面几何中的公设和简单定理。“凡直角都相等”,“两点之间直线最短”,初学几何的人,都会想这不是废话吗。等到用这些废话为基础武器,逐步分解,证明了其他复杂得可怕的理论,我们才知道废话的精辟之处。这就是直觉理论最原始的特征:不言而喻。然而,即使在这种萌芽时代的智慧中,也埋下了“反直觉”理论的种子,比如仅仅“篡改”了一条欧几里得公设,就闯出一片新天地的罗氏几何。

牛顿第三定律是另一个直觉理论的例子:作用力必然导致反作用力。这看起来也是不言而喻的废话。但牛顿第一定律就不是了:“物体将保持它的运动状态,直到外力改变它”。这是一个相对原始的反直觉理论。在今天,初中物理课修完的同学也许会不同意这是反直觉的。但是在牛顿的年代,这却是彻头彻尾的反直觉。无数牛顿之前的大学者,都理所当然地认为物体要保持运动,必须不断注入外力。这才是费劲力气保持各种物体运动的古代人类的“直觉”。另一个直觉对阵反直觉的著名例子是伽利略对阵亚里斯多德(我不叫它“比萨斜塔实验”,是因为这个传说本身是有误的。但是双方的论点是明确无误的)。“更重的物体下落更快”,这样既简单又错误的直觉,连亚里斯多德这样的智者都不能免俗。可以保证,即使在21世纪的今天,一个纯文盲多半仍然会有这样的直觉。

直觉与反直觉是相对的,也是可以培养的。经过一定科学训练的人(比如说读完初中物理),他的直觉会超越两足动物的局限,随着训练的程度达到新的精确度,比如说把牛一定律变成他的直觉。但一个人具体的生活年代和环境,并不反映他应有的直觉水平,或者他的直觉正确程度。比如我95岁的奶奶(文盲),直到今天仍然不同意我说的地球围着太阳转。比如美国仍然有20%以上的人认为地球生命历史不超过4000年。

十八、十九世纪是直觉型科学理论达到顶峰的年代。能量守恒定律(在不久以后就将被“反直觉”理论给河蟹了),热力学第二定律(“一个房间不花力气整理只能越来越乱”),在它们刚刚被提出的年代,文盲仍然会认为是反直觉的,受过良好科学训练但非专业的头脑,一听到就知道是正确的。而真正的前沿研究者则是醍醐灌顶:“这么简单明白,怎么我就没有归纳出来呢?”非常精彩,非常辉煌,但在物理学上,一般人类直觉能够企及的高度也就到此为止了。接下来的爱因斯坦、海森堡、薛定谔,一个比一个猖狂地反直觉。相对论刚刚提出的时候,不要说普通人,就是顶尖物理学家,也认为爱因斯坦简直是在说胡话。对今天世界上 99%的人来说,相对论和量子物理仍然是胡话。然而我们现在都知道,他们是正确的。因为广岛真的被炸掉了,我们车上装的GPS也真的用上了相对论校正。

“反直觉”的优势在现代物理学中很清楚。能够以普通人类直觉发现的真理,基本都被发现了。剩下的真理必然都很古怪难以接受。在这样的高度还去依靠直觉,多半都要犯错误。比如爱因斯坦的“XX不掷骰子”,听起来很美好很庄严,结果证明错误。同样是老爱的坚信宇宙密度常数等于1,宇宙会无限震荡,听起来很和谐很完满,从现在的证据看来,也是错得离谱。即使是无数物理学家(再一次包括老爱)追求的圣杯:统一场理论,也是一个高级的直觉型假设,前景仍然不妙。总之在现代物理学中,寻求反直觉的答案,克服直觉障碍去接受和欣赏反直觉的理论,反而被养成了研究者的本能。看看霍金有多少胡话(姑且不说他的胡话站得住脚不),以及被学界和起哄界怎样异口同声地热捧。

然而在生物学中,直觉与反直觉的力量对比就完全是另一回事了。

达尔文的进化论,是生物学中开天辟地的反直觉理论。在著名的钟表匠辩论中,神创论者洋洋自得的雄辩(Paley主教:“我们看见地上有一个精致的怀表,自然能肯定某处一定有一个钟表匠!”),首先是一个蹩脚的比喻,然后不过是一个粗浅短视的人类直觉。如果放到现代物理学那种气氛中来看,连认真驳斥的价值都没有。然而这种直觉式的大脑当机,却能跟进化论翻翻滚滚地斗上一百多年。直到今天,仍然妨碍大众在生物学上入门,仍然堂而皇之披上科学的外衣来反科学(随便在这个小组扫几眼标题就知道我不是在夸张),仍然有少数严肃的学者在掉进相同的直觉陷阱(Fred Hoyle,天文学家和数学家:“生命起源于地球的概率就像大风吹过机械垃圾场组装出一架波音747的概率”。这句话被各种神/棍肆无忌惮地篡改,主语直接变成了“进化论”。实际上Hoyle并不反对进化论原则,只是在概率计算上有异议,从而认为地球生命必然有地外来源,才有时间来满足他的概率计算结果。他的领域是生命起源)。这篇文章的主题不是跟神/棍叫板,所以这里先放下神/棍们,到第五部分我们再引入相关的神/棍来取笑。

并不是说,科学家就不会被直觉蒙蔽。前面曾提到,伟大、反直觉天才如爱因斯坦,也曾连挖三个直觉的大坑。只是在生物学中,直觉理论的顽固性来得特别的强,而对反直觉理论的接受来得特别的艰难,不管大众和专业领域都是如此。进化论之初,内部就曾有一场直觉与反直觉的大争论,即是拉马克的用进废退学说和达尔文的自然选择学说。在那个对遗传的物质细节一无所知的年代,用进废退理论的描述来得如此自然。“长颈鹿需要吃高处的叶子,伸着伸着脖子就变长了”,直到我上小学《自然》的时候,我的老师仍然是这么讲的!近两百年之后都还是这样,可想而知达尔文主义在初生年代的四面楚歌。话说回来,即使艰深繁杂如生物学,仍然是科学。科学的伟大就在于在科学的竞技场中,我们可以肯定真理必胜,即使前面被拍倒一百次,走上一千个曲折。人生中其他的事情,不管是政治、感情、事业还是道德正义,我们都不能打这样的包票。这也是科学对我的终极吸引力。

这篇文章要介绍的化学渗透理论,就被誉为二十世纪最伟大的“反直觉”生物学发现,虽然它并不为公众熟知。这里所说的直觉,并非一般常识,已经是二十世纪生物学家和化学家中非常精深的理论直觉了。然而当直觉走入死胡同时,一个“怪异”程度不下于相对论或者进化论的新理论蹦了出来。它在初期所受到的不公正待遇,以及它最后的辉煌成功,都是可以相提并论的。

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完结后的声明
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本文并非全部原创,其中有大量数据、理论和史料来自于英国生物化学家、科普作家 Nick Lane的著作 Oxygen 和 Mitochondria。这两本书都是非常好的科普读物,可惜没有中译本。大致引用了他1/3,自己发挥了1/3,以及扯远了1/3。特此声明和致谢。
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二 背景
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作为一篇关于生物化学的科普文章,我决定不写公式,不写化学反应方程式,不画图表。
希望严谨的读者能原谅这点小小的文字技巧上的虚荣。

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二十世纪最伟大的生物学发现(甚至可以夸大到“科学发现”),公认是沃森和克里克确定生物遗传物质是DNA,以及DNA遗传的生物化学机理。这是一个标准的直觉式发现。沃森在搞清楚DNA的双螺旋结构之后不到两个星期的时间内,就洋洋自得地告诉克里克:“我想我发现了生命的秘密。”这种从结构到功能突破性的跳跃,来自于沃森作为化学家的直觉:分子结构宣示分子功能。双螺旋意味着互为模板以及无限扩充。四个碱基两两配对意味着精确、无损的信息复制。从碱基翻译到氨基酸的简单语法意味着有限、简练的基本指令集。

生物遗传的稳定性和精确性在DNA的结构中得到完满解释,从一个生物化学家的视角来看,这个跳跃简单明晰不言自明,足以让沃森和克里克之外的所有人把自己的脑袋拍肿。这个理论的被接受程度,也是犹如星火燎原,一夜之间清洗了所有研究者的大脑,改变了整个生物学研究的版图。
这个发现还运用了一个更深层次、更广泛的科学直觉现象。那就是自然科学的层次结构。自然科学中的各个领域,并不是齐头并进的,其中一些学科是另一些的天然基础。最主要的一个层次系统是这样的:

物理学–> 化学 –> 生物学 –> 医学,人类学,心理学 –> 社会科学 (个人看法:这个我不太同意,因为在人类学与医学之间有巨大的知识鸿沟,心理学倒是和医学联系的非常紧密)

越前面的越基础,每一种科学也许人类开始认识的时候是独立的,但追究到深处,你总是会发现你需要前面一层的大量知识才能产生认识突破。这样抽象地说也许很难理解,看看例子:

化学元素周期表可以算是独立化学研究的殿堂了。但即使在周期表完成之日,化学家们也很难解释,为什么元素会表现出那样的化学性质,而且周期性地回归到相似的化学性质(比如氧族元素),而且这个周期又在不断变化。单纯在化学的领域折腾,哪个理论也解释不了全部的事实。
然而,一旦物理学中的原子结构研究成熟,周期表的问题就犹如庖丁解牛,迎刃而解了。化学性质决定于外层电子配置。元素表周期就是外层电子周期。相似的化学性质就是相似的外层电子配置。基于这种理解上的飞跃,一系列重要的化学问题,比如化学键的本质,化学反应能的研究,纷纷在原子物理的层面得到突破。这种化学问题在物理层面上的理解,我把它叫做“触底”。一个领域的研究一旦触底,透彻的理解和新的发现就指日可待。

再来看一个比较贴近生活的著名例子:

忧郁症,作为心理学中的课题,一直困扰着病患和心理学家。在二十世纪上半段,弗洛伊德主义盛行于西方,忧郁症完全用心理分析方法来解释,童年经历、未实现的欲望、父母责任,一系列五花八门的弗洛伊德式学说和疗法,对这个问题也无可奈何。但是当相关的生物学产生一次“触底”:发现锂制剂的神经生物作用后,心理学也同时在生物学上触底了。70年代一桩有名的诉讼案揭开了弗洛伊德主义在西方崩溃的序幕。加利福尼亚一位长期受忧郁症折磨的中年妇女,接受了五年以上的聊天式弗洛伊德疗法,花了几万美元,从未有任何缓解。后来开始服用抗抑郁新药物“百忧解”,四个星期后痊愈。为此她愤而起诉心理医生,最终闹成了全美新闻。现在,百分之九十以上的临床忧郁症案例都用锂制剂治疗,大多有不同程度的缓解。

沃森和克里克的成功,很大程度上也归功于生物学在化学上的触底。因此,在现代分子生物学研究中,一旦研究者逼近纯粹的化学解释,他们总是能闻到成功的气息迫在眉睫。这也就成为了现代生物学者新的直觉。

分子生物学的研究有三个宏观面:物质、信息、能量。物质是共有的基础,而信息和能量是两个不同的研究方向。DNA遗传理论的辉煌成果,把公众的视野完全集中在信息的方向,甚至学界本身也产生了认识上的偏斜。在很多人的心目中,分子生物学就是信息生物学。生物的基因组就是编码库。生命活动就是这些信息互动的总汇。而另一个宏观面:细胞能量学(或者能量生物学),在公众的认识中就非常陌生了。其实二十世纪这个领域中的认识和发现,精妙深刻和激动人心之处并不逊色于信息面。然而其中的坎坷和争执,与信息生物学中的盛世场景就大异其趣了。

二十世纪能量生物学的中心问题就是细胞能量代谢的化学本质。或者说有氧呼吸作用的化学本质和细节。直觉的方向感,引导着生物学家们从两个方向向中央逼近这个课题,来试图完成拼图。就像从两端开始拼成一座大桥。截止到五十年代,大桥好像已经逼近了接龙点。已经取得了如下的成果:

* 有氧呼吸的本质和有氧燃烧并无不同,都是氧化-还原反应。氧化剂是氧气,还原剂可以简化认为是葡萄糖。
* 不像自然失控的普通燃烧,有氧呼吸在细胞中是一步步精确控制的。而且涉及一系列复杂的生物催化剂。
* 有氧呼吸的场所是细胞中的线粒体。线粒体内膜上镶嵌着一系列的微型催化工厂:细胞色素酶蛋白质综合体。在这些不同的催化工厂,一个个电子被从糖类上剥离,中间产物分子逐步传递,同时释放化学势能,而氧得到这些电子并结合糖中的氢原子,逐步生成水。

* 所有生物细胞中通用的能量货币是三磷酸腺苷(ATP)。它是一种高能形式的分子。对应的低能形式是ADP。
* 所有耗能的生命活动都在消耗ATP,把它们转变为ADP(以及失去一个磷酸基团:p),并利用转变放出的能量。因此,有氧呼吸的作用就是这些活动的反过程:制造能量,用来把低能的ADP转变为高能的ATP。
* 制造ATP的场所在ATPase,另一种镶嵌在线粒体内膜上的蛋白质综合体。这些微型催化工厂消耗ADP,释放出ATP。而且,在某些情况下,这些工厂也能反向工作,即消耗ATP制造ADP。

请注意,以上的成果我用空行分成了两组。因为中间还缺乏一个步骤,细胞色素酶和ATPase是不同的蛋白质综合体,它们在线粒体内膜上的分布,物理上是互相隔绝的。而所谓化学反应,在分子层面上是100%需要物理接触的。那么,能量是如何从细胞色素酶传送到ATPase上的呢?这就是所谓接龙点。

前一组是分子生物化学,后一组也是分子生物化学,中间还缺乏一个链条。你的直觉是什么?当然还是分子生物化学。我们需要找到一种媒介分子,从细胞色素酶工厂的氧化还原反应中产生,在ATPase工厂中消耗,携带一个高能状态的化学键。暂且把它叫做媒介分子X。

四五十年代的能量生物学界弥漫着乐观情绪,大厦只差一步就能建成,科学家和研究小组之间展开了寻找X分子的竞赛。然而,足足找了20年,提出的候选分子不下十几种,一个个都被研究和实验否定了。在寻找的过程中,随着对整个过程细节研究越来越深入,一系列看起来很琐碎,但是莫名其妙让人不安的问题冒了出来:

* 我们已经知道了ATP和ADP是能量通用货币的正负两种形式。在化学上,一个不言自明的直觉理解是高能状态不稳定,低能状态稳定,所谓“水往低处流”。如果把纯粹的ATP放在生物体外的溶液中,它们就会很自然地迅速转化成ADP,并释放热能。然而在生物细胞中,ATP和ADP的比例通常都是非常高能化的,ATP占了90%以上。这种全局的高能状态,需要持续的能量供应来维持。细胞中有氧呼吸的强度(用糖和氧的消耗速度来测量)变化很大,有时候相当衰弱。然而不管有氧呼吸的强度怎样,ATP的比例都维持在稳定的高位。这就像一块巨石悬在墙头,不管你用不用力撑着,它偏不掉下来。在化学的视野中,这是不可理喻的场景,然而又找不到是什么东西在支撑着它。

* ATP的产出和葡萄糖的消耗,这个反应方程式,在实际测量中居然配不平。学过中学化学的,都应该知道什么叫配平反应式。几分子的A和几分子的B反应,生成几分子的C。一旦配平,比例就是固定的。这是“数学”,所有科学的基础真理。然而测量表明,一分子的葡萄糖被完全氧化,生产28-38个ATP分子,之间任何数字都有可能,但大多数时候接近下限。在化学反应方程式中,什么叫28-38?配平需要的是整数!这又是不可理喻的反化学场景。测量实验反反复复地做,结果一直都是那样。

* 化学反应的能量和物质是守恒的,也就是说,反应式链条确立之后,前面的反应发生,后面的反应就该受驱动同时发生。前面氧化消耗葡萄糖,后面就该驱动生成 ATP。这在化学术语中叫做coupling,或者耦合。消耗葡萄糖的过程和生成ATP的过程是耦合的(先忽略前面提到的配不平问题)。然而一些特殊的化学物质,可能扰乱耦合的稳定,这叫做“解耦”(uncoupling)。有氧呼吸的解耦是普遍存在的,在有些物质参与时,氧化葡萄糖的过程完全正常进行,ATP生产完全停顿。就像皮带轮系统断掉了皮带,前面的轮子空转,后面的不理睬。在化学上,这是可以接受的。因为解耦物质总是有一种化学性质,能够扰乱连续反应链中的一个环节(比如说,如果有X媒介分子,某种解耦物质倾向于和X分子结合使其失去浓度,破坏了能量传递,当然就能解耦。)但是现在的问题在于,实验证明能解耦有氧呼吸的物质,如水杨酸(阿司匹林),白喉霉素,摇头丸,化学组成和化学性质五花八门,简直找不到一个共同点。在寻找X分子失败的过程中,生物学家们对解耦物质寄予厚望,因为一旦发现了解耦物质的共同化学性质,多半就能推导出X分子到底是什么–因为这是大桥上唯一不为人知的部分。然而现实是,解耦物质发现得越多,就越找不到化学共同点。

天才的美国物理学家、科普专家费因曼,曾经对物理学中的某些困境有一个令人发笑的描述:“如果你还没有彻底被搞昏,只能证明你不懂这个领域。”在五十年代末,对有氧呼吸的研究和X分子的身份之谜,就完全是这样的场景。越是研究得透彻,理论和现实就越是自相矛盾,不可理喻。每一种假说都有不可治愈的痛脚,每位前沿研究者都不知道到底是哪里出了问题。乐观已经被混乱取代。
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三 彼得.米切尔:泵,水坝和泄洪道

化学渗透的发现者:彼得.米切尔,从里到外都散发着离经叛道的天才气息。这个家伙家财万贯(他的叔父拥有一个建筑业集团公司),在英国二战后的困顿年月开着劳斯莱斯招摇过市。后来当他因为化学渗透的论战几乎被踢出学界时,干脆自己出钱建了一个研究所继续战斗。他在二战中由于身体原因没有服役,而当时英国能量生物学的权威克林(细胞色素酶的发现者)私下对别人说:“英国最好的科学头脑躲过了子弹”。要知道,当时米切尔才二十多岁,研究方向不是细胞能量学,而只是涉及细菌的生理学,跟克林的方向(也就是研究有氧呼吸原理)差得很远。而且他读博士读了七年才拿到学位,因为他的论文审查人多次认为他的论文都是胡说八道。同样是克林向别人解释:“米切尔的独创性对这些学者来说太多了。”

米切尔伶牙俐齿,态度粗暴,披着一头效仿青年贝多芬的长发,弹得一手好钢琴,而且和贝多芬一样很早就聋掉一只耳朵,让他跟人争吵的音量变得特别的大。一般古板的学者很难喜欢这样一个人。克林在早期的慧眼只能解释为天才识天才。

在能量生物学界因为种种化学上的不可调和而苦恼时,米切尔却从一个意想不到的方向:经典细胞生理学,接近了这个问题。

他早期的研究课题是细菌,特别是细菌的主动运输,即穿过细菌的细胞膜,营养物质和废物在受控状态下进出。我们知道在孤立的情况下,物质的渗透总是从高浓度向低浓度的方向进行,而细菌的细胞膜是脂质的半透膜,水溶性物质被阻挡,但膜上有各种特化的蛋白质通道,选择特定的物质允许进出,其严格的对应性好比特定的生物酶对应特定的催化对象。半透膜的特性加上细菌消耗能量的主动运输(当时是如何消耗能量的还完全不知道),使得细菌可以逆着浓度运输物质,比如把营养物质从低浓度的外界环境运进高浓度的内部。

对于细菌主动运输的研究,使得米切尔对生物膜导致的化学物质浓度聚集有了特别的敏感性。把细菌的主动运输过程倒过来看,如果逆浓度运输耗能,那么逆浓度运输造成的浓度聚集本身就是一种势能,好比你把石头推上坡花了力气,坡上的石头也就有了势能,随时可以滚下来释放能量。这就是米切尔的突破点。

1961年米切尔在爱丁堡发表的论文,充满自己生造的词汇,类似玄学的逻辑讨论和无证据的猜测。首先,他运用福尔摩斯式的逻辑:“当排除了其他所有可能的答案,那么剩下的可能性,不管看起来有多么不可能,都是正确的答案。”。X媒介分子的寻找,化学上每一块石头都翻起来看过了,既然还没有找到,那么答案是什么?X分子不存在。那么化学上的两套反应是如何接触的呢?能量是怎么从细胞色素氧化工厂传递到ATPase呢?米切尔说,那不是分子遇上分子的化学,那是化学渗透(chemiosmosis)。这是一个他生造的词,含有两个词根:chem(化学)和osmosis(渗透),其实这个过程的实质既不化学,也不渗透。它的含义如下:

* 葡萄糖在细胞色素酶工厂中逐步氧化。这些蛋白综合体微型工厂,都镶嵌在线粒体内膜上,实质上是一些通向膜外的蛋白质孔道。它们没有合成什么高能的中介分子,作用不过是像一些泵,把细胞内的氢离子(H+,也就是质子)泵到膜外去了。这个过程需要耗费氧化葡萄糖放出的能量,因为我们下面就会看到,线粒体内膜的外部聚集着高浓度的质子。这是一个逆浓度运输。

* 由于这些质子泵的工作,大量质子被泵出去,又被限制在线粒体内膜和外膜之间的狭窄区域里,于是形成了一层薄薄的H+聚集区。H+的浓度,化学上有个很简单的量度,就是PH值,即酸性。因此内外膜之间的区域就形成了一个质子“水库”,具有酸性和正电荷。

* 线粒体内膜就像是水坝。它也是脂质膜,对于水溶性的质子来说是不通透的,因此外部质子浓度虽高,但不能自然渗透进来。记住我们前面的结论:逆浓度运输造成的浓度聚集本身就是一种势能。

* ATPase就是泄洪道。它也是镶嵌在线粒体内膜上的蛋白质综合体,也是内外相通,但受控的蛋白质孔道。它利用的不是什么神秘的X分子,而是质子的回流。质子浓度势能的释放放出能量,这些能量就被用来生产ATP。

对于那些毕生浸淫在经典生物化学,不太熟悉生物膜动力的能量生物学家来说,这简直是玄而又玄的天书,没有比这更奇怪的场景了。不去使用一个简单的中介分子完成化学链路,而是转了这么多的弯,使用这么诡异的机理。再加上米切尔生造了大量的词汇来描述他的理论(比如米切尔把“质子水库”的酸性和电势能合起来叫做proton motive-force,“质子动力”,认为这是一种所有生物的基本驱动力。听起来真像某种民科发明的词汇),整个文章写得既玄秘又武断。而且,他没有什么实验证据来支撑他的学说,基本上全是假设、推理,或者干脆忽略那些暂时解释不了的障碍。

所有这些原因,使得米切尔的论文在1961年的能量生物学界受到的待遇,差到不能再差:有些人读完第一页就扔一边。有些人认为“他终于疯了”。有些人开口就骂,认为他不尊重整个学界前人的辛苦工作。或者“不做实验,不是化学家,偏要谈最艰深化学问题,而且他的语言不是化学。”当时的两个权威:美国的Racker和瑞典的Slater,都是很优秀的学者,一开始还不像其他人那样对待他,试图去发现米切尔到底要说什么。但Racker在讨论中完全被米切尔的外星词汇搅昏,最终放弃了讨论。而Slater和米切尔的争辩火爆升级,在一个研讨会上,Slater被米切尔尖酸刻薄的口才气得“在走廊上乱跳,白色的胡子上下飞舞”。

米切尔成了英国科学界的笑料,1963年因为“脾气大造成的胃溃疡”退出了爱丁堡大学(其实是学校当局劝退他免得丢人),回到他的乡间别墅去养病。他花了两年时间舔伤口,顺便把乡间别墅翻修成了“音乐怪人”的巢穴,找到了一个相信他,而且有很强生物化学实验能力的女助手Moyle,在1965年卷土重来,成立了自己的研究所,一定要和整个能量生物学界斗到底。
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四 思想的凯旋

在1961年米切尔抛出他的重磅炸弹时,他确实没有什么实验基础,这也是大多数学者本能上不接受他最主要的原因。然而这个独辟蹊径,自己宣示一个新体系的假说,却是建立在米切尔对已知科学事实和实验结果深入分析的基础上。透过他奇特的视角和迷雾一样的语言,越来越多的人认识到,米切尔的化学渗透假说像一块奇形怪状,但是边边角角都恰好合适的拼图板,解释了有氧呼吸研究中众多的不解之谜:

* 首先就是膜。原核细胞生物(细菌)都有脂质细胞膜。而真核细胞生物中,线粒体有氧呼吸制造ATP,叶绿体的光合作用也制造ATP,这些跟能量相关的细胞器也都有脂质膜。在以往的研究中,生物膜被当做是仅仅结构上的东西,没有人从功能上意识到它的重要性,化学渗透学说解释了为什么TP的制造场所无一例外都有生物膜。因为化学渗透的全部动力就来自于这个“水坝”制造的浓度隔离。

* 氧化场所和ATPase物理隔绝的问题也迎刃而解。因为化学渗透的能量传递过程就像你在一处用抽水机蓄水,而在另一处用泄洪道发电,整个水库(整个线粒体外表)环绕着所有的设备。这时候你的设备在哪里当然无所谓了。

* ATP异常的高比例问题也是这样轻易解决。只要线粒体内膜外积聚着足够浓度的质子库,ATPase就能持续把ADP转变成ATP,保持ATP在细胞内的高浓度。而这时候氧化强度怎样是无关痛痒的。水库蓄够了水,哪怕抽水机停上几天,发电也在持续进行。

* 葡萄糖氧化量和ATP制造量配不平的问题,在这个场景下也不成其为问题。因为这样看来,制造ATP的数量根本不是受实时的氧化量控制的(实际上是受细胞能量需要控制,由其他来自外部的化学信号调节的)。就像发多少电是受电网需求控制的,跟实时的抽水量没有严格对应关系。只有长期、大体上的宏观比例,这就是 28-38这个含糊数字的含义。

* 最精彩的是这个假说一下子就解决了众多解耦物质的共性。答案对化学家们来说真是郁闷,因为实在是太简单了。以往寻找共性的时候,化学家们总是在找它们的反应特性,完全没想到这些东西都有两个最简单,在高分子的生物化学中根本“不值得”考虑的属性:它们都是脂溶性的弱酸。弱酸的特点是两性化:在酸性较大的环境中表现为“碱”,跟氢离子(也就是质子)结合。在中性或碱性环境中恢复酸的本性,释放氢离子。脂溶性使得它们能够自由穿越脂质生物膜,在线粒体外表的酸性水库中拽住质子,穿越回来回到内部又释放质子。而且它们受到内外酸碱度差和电位差的往复压力,会不停地做这种来回运动。这些解耦物质就像偷渡船,把细胞色素工厂辛辛苦苦泵出去的质子又都给运了回来,只要它们达到一定浓度,外部的“水库”就被放得失去了足够势能,ATP制造当然停滞了。一个千疮百孔的大坝是蓄不了水,发不了电的。

一个健康有力的科学假说,不但需要解释已经存在的疑问,而且通常都能做出一些具体、可验证的预言,描述尚未发现的现象,去引导实验科学家加以证实。1965年以后,米切尔本人和他的助手Moyle当然在做实验,其他一些脑子逐渐被米切尔持续的喋喋不休掰过来的科学家也加入了实验行列,其中包括一些米切尔以前论战得最苦涩的论敌,比如Racker。

60年代末,米切尔和Moyle首先实验证实了他自己的预言:线粒体内外膜之间不但有明确的酸性浓度梯度,和膜内还有150毫伏的电位差。不要小看这150毫伏,因为它的距离间隔仅仅是5纳米的线粒体内膜。等比例换算的话这个强度大概和大气闪电的强度差不多,比家用电高1000倍,堪称自然界强度最高的电势能场。

Racker跟着做了一个精巧的实验,他把细胞色素氧蛋白综合体从线粒体中提取出来,放进人造的脂质膜泡中,测得膜外仍然能积蓄起质子浓度。这个实验的含义是排除了有氧呼吸的消耗段:ATPase,以及ATPase自己和其他所有细胞环境循环影响质子浓度的可能性,单纯检测供应段。结果是完全符合化学渗透假说的前半段。在此之前,没人相信已经研究得十分透彻的葡萄糖氧化过程真的是“质子泵”。Racker的皈依影响了学界大量的人,风向开始转变了。

在这个阶段米切尔的促狭鬼性格开始作怪:他公开建立了一个表格,表格上记录他以前每一个批评者“皈依”的日期,Racker大人荣登榜首。其他还没归顺的学者一个个先列出来,日期留白。

下一个实验突破是瑞典的雅根多夫,他不是能量生物学家,而是植物学家。在一个科学会议上,他偶尔听到米切尔跟人论战,当时的感受是米切尔态度恶劣而且说的都是胡话—然而是他自己可以证伪的胡话,因为米切尔不但认为线粒体符合他的假说,还说叶绿体中光合作用制造ATP的机理也是同样的。对米切尔强烈的反感促使雅根多夫和他的美国同事设计了一个实验:把叶绿体膜分离出来,排除其他一切细胞环境和叶绿体内部结构,在简单的人造环境溶液中加以测试。首先用PH=8的弱碱性平衡内外酸碱度,然后加入酸液把外部PH调整到4。这相当于把米切尔的假说还原到最简结构。结果是,叶绿体膜内马上产生了大量 ATP。当时雅根多夫简直不相信自己的眼睛。后来他发表自己的实验数据后,主动申请加入“归顺榜”。

越来越多的实验结果,一项项填补的细节空白,逐渐把化学渗透假说从丑小鸭变成了羽翼丰满的大怪物。进入70年代之后,能量生物学界已经全面倒戈,化学渗透成了整个有氧呼吸研究的新范式,建立在它基础上的新研究、新突破方向也爆炸性地出现了。比如美国女生物学家Lynn Margulis在1971年发表的轰动论文,证明了所有生物的线粒体前身是远古的细菌,与真核生物细胞之间是共生关系。这个成果的基础,就是线粒体有氧呼吸和细菌的基本能量代谢完全使用相同的质子泵-生物膜驱动模式(下一节会详细介绍细菌的问题)。

米切尔本人独得了1978年的诺化学奖。1961年到1978年,17年时间就从“门外汉”的状态登上了荣誉和成就的顶峰,这在诺奖的历史上是罕见的。物理、化学和生物学这三个奖项,大多顶尖科学家在做出自己最显赫的贡献后30-40年才能获诺奖。更不要说很多人终身无望。

这样的殊荣,加上米切尔嚣张的气焰,再加上获得化学奖的“化学渗透”理论是这样一个介乎化学、物理、生物三个领域之间,出乎所有人想象之外的怪异机制,使得学界的很多人大吐酸葡萄。米切尔在领奖致辞中这样感谢他们:

“马克斯.普朗克(著名物理学家)曾经说过,一个新的科学理论不是靠使权威反对者信服来取得胜利的,而是靠这些权威反对者逐渐死掉。这是非常悲观但也非常现实的箴言。我最大的成就是证明了普朗克也有说错的时候。”

1997年的诺化学奖得主沃克,他的主要成就是利用新发展的衍射晶体学技术测定了ATPase的原子级别精细结构。而这个成果,实际上是给 20年前米切尔理论的登基进行了迟来的加冕。沃克昭示的ATPase精细结构,简直是一部鬼斧神工的蛋白质机器。我们在这部分最后来欣赏一下大自然炫目的工程杰作。

ATPase是一个蛋白质复合酶,微小到在一般电子显微镜下也只是隐约可见,像蘑菇一样星星点点地点缀在线粒体内膜上。它是由很多个微小的、运动的蛋白质部件构成的,各部件大体上呈同心圆环状排列。结构上,ATPase分成两个部分,一个是蛋白质排列拼合成的孔道,这个孔道直接从膜内穿透到膜外。孔道的内端是另一个部件:一个轴样的旋转头。这个旋转头像钟表里的齿轮一样,有三个固定刻度。每个刻度之间角度相差120度。外部的高浓度质子“水库”产生的势能促使质子从孔道内滑落,大致每三个质子的滑落的能量会让旋转头转过120度,即一个刻度,10个质子穿过完成一个循环。这个蛋白质旋转头每次转动一个刻度,它的分子张力都让跟它接触的ATP、ADP分子化学键生成或者打破。第一个刻度处结合ADP分子,第二个刻度处俘获一个磷酸根离子(p)并把它附着到ADP上,变成ATP,在生成这个化学键的同时锁定了能量(来自质子的滑落)。第三个刻度处打破结合键释放ATP分子。

这是一个自然界最微小的轮轴系统(“关于大自然为什么没发明轮子”的讨论可以休矣),一部细微精巧藐视所有人类技术的纳米机器。自己本身就是一条复杂而高效率的分子生产线。而且这个机器随时可以反向工作,即消耗内环境已有的ATP,把它们分解成ADP和p,利用释放的能量把质子泵向膜外(下一节会讨论什么情况下需要反向工作)。最初发现ATPase的时候,实际上发现的是它的后一种工作状态,也因此得名。让最初的发现者惊奇的是这个微小的酶工厂好像无所不在,所有真核生物的线粒体和叶绿体内膜,所有细菌的内膜上,都有基本相同的ATPase。当时的发现者说“ATPase的普遍,看起来就像生命的基本粒子”。远远在化学渗透发现之前,他根本没有意识到他说得有多么正确和深刻。
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