第九章 生命之謎
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一、我們是由細胞構成的
迄今為止，在讨論物質結構時，我們有意沒有提及數量較少但極為重要的一類物體。
這類物體因為是活的而和宇宙間其他一切物體不同。
生命物質與非生命物質之間的重要區别是什麼呢？我們有多大的把握相信，成功地解釋了非生命物質之屬性的基本物理定律也能理解生命現象呢？ 談到生命現象時，我們通常會想到一棵樹、一匹馬、一個人這樣巨大而複雜的活的生物體。
但嘗試通過考察如此複雜的有機體系統來研究生命物質的基本性質，就像通過考察汽車之類的複雜機器來研究無機物的結構一樣徒勞無益。
這樣做顯然會面臨一些困難。
我們意識到，汽車是由數千個形狀、材料、物理狀态各異的部件組成的。
其中一些是固态的（比如鋼制底盤、銅制導線、擋風玻璃），另一些是液态的（比如散熱器中的水，油箱中的汽油、氣缸油），還有一些是氣态的（比如從汽化器送入氣缸的混合氣）。
于是，在分析這個被稱為汽車的物質複合體時，第一步是把它分解成物理上同質的各個部件。
這樣一來我們就發現，汽車是由各種金屬物質（如鋼、銅、鉻等）、玻璃狀物質（如玻璃、塑料）和同質液體（如水、汽油）所組成的。
現在，我們可以繼續進行分析，用各種物理研究方法發現，銅制部件是由一個個小晶體組成的，每個小晶體又是由一層層銅原子彼此規則而剛性地疊合而成的；散熱器中的水是由較為松散地堆在一起的大量水分子構成的，每個水分子又由1個氧原子和2個氫原子所構成；從汽化器閥門進入氣缸的混合氣是由大量自由移動的氧氣分子、氮氣分子和汽油蒸汽分子混合而成的，而汽油蒸汽分子又是由碳原子和氫原子結合而成的。
同樣，在分析像人體那樣複雜的生命有機體時，我們也必須先把它分解成腦、心、胃等各個器官，再把這些器官分解成生物上同質的各種所謂&ldquo組織&rdquo。
在某種意義上，各種類型的組織都是構成複雜生命有機體的材料，就像機械裝置是由各種物理上同質的東西構成的一樣。
在這個意義上，通過不同組織的性質來分析生物體運作的解剖學和生理學，就類似于通過物質的力學、磁學、電學等已知性質來分析機器運作的工程學。
因此，要想解答生命之謎，不能隻看各個組織是如何構成複雜機體的，還要看構成機體的這些組織最終是如何由一個個原子構成的。
如果認為生物上同質的活組織就類似于物理上同質的普通物質，那就大錯特錯了。
事實上，隻要對任一組織（無論是皮膚組織、肌肉組織還是腦組織）做出初步的顯微鏡分析，就會發現它是由大量個體單元構成的，這些單元的性質或多或少決定了整個組織的性質（圖90）。
生命物質的這些基本結構單元通常被稱為&ldquo細胞&rdquo，亦可被稱為&ldquo生物原子&rdquo（即&ldquo不可再分者&rdquo），因為某種組織隻要包含至少一個細胞，其生物學性質就能保持下去。
圖90 各種類型的細胞 例如，若把肌肉組織切成隻有半個細胞那麼大，它就會徹底喪失肌肉的收縮性等性質，一如隻包含半個鎂原子的鎂不再是金屬鎂，而是一小塊煤！70 組織所由以構成的細胞非常小（平均尺寸隻有百分之一毫米71）。
通常的植物或動物勢必由極多個細胞所構成。
例如，一個成年人是由數百萬億個細胞構成的！ 較小的生物體當然是由較少的細胞構成的，比如一隻蒼蠅或螞蟻所包含的細胞不會超過幾億個。
還有一大類單細胞生物，比如阿米巴、真菌（比如能引起&ldquo癬&rdquo的那些真菌）和各種細菌，都是由一個細胞構成的，隻有透過高倍的顯微鏡才能看到。
研究在複雜生物體中承擔各種&ldquo社會功能&rdquo的這些活細胞，是最激動人心的生物學篇章之一。
為了對生命問題有一個總體的理解，我們必須到活細胞的結構和性質中尋求解答。
是什麼性質使得活細胞如此不同于一般的無機物質，或者就此而言不同于死細胞&mdash&mdash比如做寫字台的木頭、制鞋子的皮革所由以構成的死細胞&mdash&mdash呢？ 活細胞獨特的基本性質在于：（1）它能從周圍環境中攝取自己所需的成分；（2）它能将這些成分變為自己生長所用的物質；（3）當其幾何尺寸變得足夠大時，它能分裂成兩個尺寸隻有一半（且能生長）的相似細胞。
當然，由單個細胞構成的所有更複雜的生物體都具有&ldquo吃&rdquo、&ldquo生長&rdquo、&ldquo增殖&rdquo的能力。
慎思明辨的讀者也許會反駁說，這三種性質亦可見于普通的無機物質。
例如，若把一小粒食鹽晶體丢進過飽和的食鹽溶液，72晶體表面就會長出一層層從食鹽溶液中攝取（或者更确切地說是&ldquo遣出&rdquo）的食鹽分子。
我們甚至可以設想，達到某一尺寸之後，這粒晶體會因重量的增加等力學效應而裂成兩半，這樣形成的&ldquo子晶體&rdquo會繼續生長下去。
那麼，我們為何不把這種過程看成&ldquo生命現象&rdquo呢？ 在回答這類問題時，必須首先申明，如果僅把生命看成更為複雜的普通物理化學現象，就不能指望生命與非生命之間有什麼清晰的界線。
同樣，在用統計定律描述大量氣體分子的行為時（見第八章），我們也不能确定這種描述的有效性的界限究竟在哪裡。
事實上我們知道，充滿房間的空氣不會突然自行聚集在一個角落，至少這種可能性小到微乎其微。
但我們也知道，如果整個房間隻有兩三個分子，這種情況就經常會發生了。
那麼，這兩種情況在分子數量上的界線究竟在哪裡？1000個分子？100萬個？10億個？ 同樣，在處理基本的生命過程時，我們也不能指望能在食鹽在水溶液中的結晶等簡單的分子現象與活細胞的生長分裂現象之間找到一條清晰的界線。
後者雖然複雜得多，但與前者并無根本不同。
不過對于這個例子，我們可以說，不能把晶體在溶液中的生長看成生命現象，因為晶體生長所使用的&ldquo食物&rdquo未經形态改變就被吸收到了身體中。
原先與水混在一起的食鹽分子徑直聚集在晶體表面上，這隻是普通的物質機械增加，而不是典型的生物化學吸收。
晶體通過偶然裂成沒有固定比例的不規則部分也是緣于純粹的重力，而與活細胞主要因内部作用力而在生物學上持續地精确分裂成兩半幾乎沒有什麼相似之處。
我們再來看一個與生物學過程相似得多的例子：往二氧化碳水溶液中加入一個酒精分子（C2H5OH），将會開始一個能自我維持的合成過程，它将把水分子與二氧化碳分子一一結合成新的酒精分子。
73事實上，倘若往蘇打水中加入一滴威士忌，就能開始把這些蘇打水變成純威士忌，我們就不得不認為酒精是活物質！ 圖91一個酒精分子将水分子和二氧化碳分子結合成另一個酒精分子的示意圖。
倘若酒精的這種&ldquo自動合成&rdquo過程是可能的，我們就必須把酒精看成活物質 這個例子并非像它看起來那樣不切實際，後面我們将會看到，的确存在一種被稱為病毒的複雜化學物質，其相當複雜的分子（由數十萬個原子所構成）能将周圍的其他分子組織成與自己類似的結構單元。
這些病毒既應被看成普通的化學分子，又應被看成生物體，因此代表着生命物質與非生命物質之間的&ldquo缺失環節&rdquo。
但我們現在必須回到普通細胞的生長和繁殖問題，細胞雖然很複雜，但仍然是最簡單的生命體。
如果透過一架優良的顯微鏡看一個典型的細胞，會發現它是一種半透明的膠狀物質，有着非常複雜的化學結構。
這種物質一般被稱為原生質。
原生質外面是細胞壁，動物細胞的細胞壁薄而柔軟，植物細胞的細胞壁則厚而硬，使植物獲得很大的硬度（參見圖90）。
每一個細胞内部都包含一個小小的球體，即所謂的細胞核，它是由染色質這種精細的網狀結構而形成的（圖92）。
需要注意的是，在正常情況下，形成細胞的原生質的各個部分有着相同的光透明性，因此不能直接透過顯微鏡來觀看活細胞的結構。
為了看清楚細胞的結構，我們必須給細胞物質染色，因為原生質的不同部分會以不同程度吸收染色物質。
形成原子核網狀結構的物質特别容易被染色，因此會在淺色背景下清晰可見。
74&ldquo染色質&rdquo的名稱便由此得來。
圖92 細胞分裂的各個階段（有絲分裂） 細胞即将分裂時，細胞核的網狀結構會變得迥異于往常，通常會成為一組絲狀或棒狀的東西（圖92b和92c），它們被稱為&ldquo染色體&rdquo。
參見插圖5的a和b。
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這類物體因為是活的而和宇宙間其他一切物體不同。
生命物質與非生命物質之間的重要區别是什麼呢？我們有多大的把握相信，成功地解釋了非生命物質之屬性的基本物理定律也能理解生命現象呢？ 談到生命現象時，我們通常會想到一棵樹、一匹馬、一個人這樣巨大而複雜的活的生物體。
但嘗試通過考察如此複雜的有機體系統來研究生命物質的基本性質，就像通過考察汽車之類的複雜機器來研究無機物的結構一樣徒勞無益。
這樣做顯然會面臨一些困難。
我們意識到，汽車是由數千個形狀、材料、物理狀态各異的部件組成的。
其中一些是固态的（比如鋼制底盤、銅制導線、擋風玻璃），另一些是液态的（比如散熱器中的水，油箱中的汽油、氣缸油），還有一些是氣态的（比如從汽化器送入氣缸的混合氣）。
于是，在分析這個被稱為汽車的物質複合體時，第一步是把它分解成物理上同質的各個部件。
這樣一來我們就發現，汽車是由各種金屬物質（如鋼、銅、鉻等）、玻璃狀物質（如玻璃、塑料）和同質液體（如水、汽油）所組成的。
現在，我們可以繼續進行分析，用各種物理研究方法發現，銅制部件是由一個個小晶體組成的，每個小晶體又是由一層層銅原子彼此規則而剛性地疊合而成的；散熱器中的水是由較為松散地堆在一起的大量水分子構成的，每個水分子又由1個氧原子和2個氫原子所構成；從汽化器閥門進入氣缸的混合氣是由大量自由移動的氧氣分子、氮氣分子和汽油蒸汽分子混合而成的，而汽油蒸汽分子又是由碳原子和氫原子結合而成的。
同樣，在分析像人體那樣複雜的生命有機體時，我們也必須先把它分解成腦、心、胃等各個器官，再把這些器官分解成生物上同質的各種所謂&ldquo組織&rdquo。
在某種意義上，各種類型的組織都是構成複雜生命有機體的材料，就像機械裝置是由各種物理上同質的東西構成的一樣。
在這個意義上，通過不同組織的性質來分析生物體運作的解剖學和生理學，就類似于通過物質的力學、磁學、電學等已知性質來分析機器運作的工程學。
因此，要想解答生命之謎，不能隻看各個組織是如何構成複雜機體的，還要看構成機體的這些組織最終是如何由一個個原子構成的。
如果認為生物上同質的活組織就類似于物理上同質的普通物質，那就大錯特錯了。
事實上，隻要對任一組織（無論是皮膚組織、肌肉組織還是腦組織）做出初步的顯微鏡分析，就會發現它是由大量個體單元構成的，這些單元的性質或多或少決定了整個組織的性質（圖90）。
生命物質的這些基本結構單元通常被稱為&ldquo細胞&rdquo，亦可被稱為&ldquo生物原子&rdquo（即&ldquo不可再分者&rdquo），因為某種組織隻要包含至少一個細胞，其生物學性質就能保持下去。
圖90 各種類型的細胞 例如，若把肌肉組織切成隻有半個細胞那麼大，它就會徹底喪失肌肉的收縮性等性質，一如隻包含半個鎂原子的鎂不再是金屬鎂，而是一小塊煤！70 組織所由以構成的細胞非常小（平均尺寸隻有百分之一毫米71）。
通常的植物或動物勢必由極多個細胞所構成。
例如，一個成年人是由數百萬億個細胞構成的！ 較小的生物體當然是由較少的細胞構成的，比如一隻蒼蠅或螞蟻所包含的細胞不會超過幾億個。
還有一大類單細胞生物，比如阿米巴、真菌（比如能引起&ldquo癬&rdquo的那些真菌）和各種細菌，都是由一個細胞構成的，隻有透過高倍的顯微鏡才能看到。
研究在複雜生物體中承擔各種&ldquo社會功能&rdquo的這些活細胞，是最激動人心的生物學篇章之一。
為了對生命問題有一個總體的理解，我們必須到活細胞的結構和性質中尋求解答。
是什麼性質使得活細胞如此不同于一般的無機物質，或者就此而言不同于死細胞&mdash&mdash比如做寫字台的木頭、制鞋子的皮革所由以構成的死細胞&mdash&mdash呢？ 活細胞獨特的基本性質在于：（1）它能從周圍環境中攝取自己所需的成分；（2）它能将這些成分變為自己生長所用的物質；（3）當其幾何尺寸變得足夠大時，它能分裂成兩個尺寸隻有一半（且能生長）的相似細胞。
當然，由單個細胞構成的所有更複雜的生物體都具有&ldquo吃&rdquo、&ldquo生長&rdquo、&ldquo增殖&rdquo的能力。
慎思明辨的讀者也許會反駁說，這三種性質亦可見于普通的無機物質。
例如，若把一小粒食鹽晶體丢進過飽和的食鹽溶液，72晶體表面就會長出一層層從食鹽溶液中攝取（或者更确切地說是&ldquo遣出&rdquo）的食鹽分子。
我們甚至可以設想，達到某一尺寸之後，這粒晶體會因重量的增加等力學效應而裂成兩半，這樣形成的&ldquo子晶體&rdquo會繼續生長下去。
那麼，我們為何不把這種過程看成&ldquo生命現象&rdquo呢？ 在回答這類問題時，必須首先申明，如果僅把生命看成更為複雜的普通物理化學現象，就不能指望生命與非生命之間有什麼清晰的界線。
同樣，在用統計定律描述大量氣體分子的行為時（見第八章），我們也不能确定這種描述的有效性的界限究竟在哪裡。
事實上我們知道，充滿房間的空氣不會突然自行聚集在一個角落，至少這種可能性小到微乎其微。
但我們也知道，如果整個房間隻有兩三個分子，這種情況就經常會發生了。
那麼，這兩種情況在分子數量上的界線究竟在哪裡？1000個分子？100萬個？10億個？ 同樣，在處理基本的生命過程時，我們也不能指望能在食鹽在水溶液中的結晶等簡單的分子現象與活細胞的生長分裂現象之間找到一條清晰的界線。
後者雖然複雜得多，但與前者并無根本不同。
不過對于這個例子，我們可以說，不能把晶體在溶液中的生長看成生命現象，因為晶體生長所使用的&ldquo食物&rdquo未經形态改變就被吸收到了身體中。
原先與水混在一起的食鹽分子徑直聚集在晶體表面上，這隻是普通的物質機械增加，而不是典型的生物化學吸收。
晶體通過偶然裂成沒有固定比例的不規則部分也是緣于純粹的重力，而與活細胞主要因内部作用力而在生物學上持續地精确分裂成兩半幾乎沒有什麼相似之處。
我們再來看一個與生物學過程相似得多的例子：往二氧化碳水溶液中加入一個酒精分子（C2H5OH），将會開始一個能自我維持的合成過程，它将把水分子與二氧化碳分子一一結合成新的酒精分子。
73事實上，倘若往蘇打水中加入一滴威士忌，就能開始把這些蘇打水變成純威士忌，我們就不得不認為酒精是活物質！ 圖91一個酒精分子将水分子和二氧化碳分子結合成另一個酒精分子的示意圖。
倘若酒精的這種&ldquo自動合成&rdquo過程是可能的，我們就必須把酒精看成活物質 這個例子并非像它看起來那樣不切實際，後面我們将會看到，的确存在一種被稱為病毒的複雜化學物質，其相當複雜的分子（由數十萬個原子所構成）能将周圍的其他分子組織成與自己類似的結構單元。
這些病毒既應被看成普通的化學分子，又應被看成生物體，因此代表着生命物質與非生命物質之間的&ldquo缺失環節&rdquo。
但我們現在必須回到普通細胞的生長和繁殖問題，細胞雖然很複雜，但仍然是最簡單的生命體。
如果透過一架優良的顯微鏡看一個典型的細胞，會發現它是一種半透明的膠狀物質，有着非常複雜的化學結構。
這種物質一般被稱為原生質。
原生質外面是細胞壁，動物細胞的細胞壁薄而柔軟，植物細胞的細胞壁則厚而硬，使植物獲得很大的硬度（參見圖90）。
每一個細胞内部都包含一個小小的球體，即所謂的細胞核，它是由染色質這種精細的網狀結構而形成的（圖92）。
需要注意的是，在正常情況下，形成細胞的原生質的各個部分有着相同的光透明性，因此不能直接透過顯微鏡來觀看活細胞的結構。
為了看清楚細胞的結構，我們必須給細胞物質染色，因為原生質的不同部分會以不同程度吸收染色物質。
形成原子核網狀結構的物質特别容易被染色，因此會在淺色背景下清晰可見。
74&ldquo染色質&rdquo的名稱便由此得來。
圖92 細胞分裂的各個階段（有絲分裂） 細胞即将分裂時，細胞核的網狀結構會變得迥異于往常，通常會成為一組絲狀或棒狀的東西（圖92b和92c），它們被稱為&ldquo染色體&rdquo。
參見插圖5的a和b。
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