二十世纪最“反直觉”的伟大生物学发现：化学渗透（5）
2018/1/10 20:00:19 AnnieEasyFM
三观正的读者都点赞了
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编者按：这周的话题，注定是一个枯燥无味的、无人点赞的内容，看阅读量就知道。耐心地看完本系列文章的同学，恭喜你们三观升级。让我开心的是，虽然阅读量不多，但是粉丝竟然还在增长。感谢有你们的陪伴。明天还一期尾声。
作者：曼斯·雷德 | 本文发表于豆瓣“科学松鼠会读者花园小组”
作者关于自己的星星细语：私人教育机构讲师，计算机专业硕士
基于科学松鼠会网站声明取得授权转载 | 编辑：爽临
五.火星为什么是红色的，以及鞭毛公案
做基础科学研究的人，能遇到的最让人郁闷的问题就是这个：
“这个研究到底有什么实际应用？”
不去评价发问者暴露了什么样的思想境界，只说被提问者。很多基础科学研究者被这样问的时候，倾向于变得自我防卫。比如我前面说“相对论用在GPS校正上”，这就很防卫。其实那只是相对论最不值一提的后果。
我最喜欢美国一个理论物理学家的回答。当他代表美国的大型强子对撞机项目向政府申请十亿美元拨款时，国会要求他出席听证会，在听证会上他就被议员们这样问。他的回答是：“从现在已知的技术来看，绝对、绝对没有任何实际应用。”
“那么有什么理由花十亿美元去做呢？“
“因为我们想知道。其实你们也想知道。只是你们不知道你们想知道。”
申请失败了。但是这个回答却值得载入史册。绝大多数基础科学研究，都不是受实际的技术需要推动的。也不可能：既然是未知的东西，谁又能预测它的应用？整个科学都是靠人类旺盛的好奇心，靠人类天生对秩序、逻辑和知识的热爱推动的。科学是美丽神秘的森林，技术只不过是沿路采摘的果实。知识本身不但可以应用，而且会改变我们个人和社会看待整个世界的眼光和方法，从根本上使我们的存在变得更广大，更美好。
像物理、化学、生物这些基础学科，在一般人的眼中很可能枯燥且无实用价值，然而对于真正学懂而且融会贯通的人，他们眼中的世界跟我们普通人是不一样的。大概十年前，我有幸遇到这样一个人，在短短一小时内就给了我以上的感悟，让我发现了在一个锐利的头脑支配下，简单的科学原理可以变得如此明彻，充满力量。
地球和火星，图片出处：www.buzzle.com
那是在美国的一个小天文馆，当时有一群大学新生(大概是个兴趣小组)在搞参观活动，馆长出来接待(我是不沾边的，记住了答案的旁观游客)。馆长是一个穿着夏威夷衬衫的笑眯眯小老头，学生们连珠炮一样提问，他随口回答：
“火星为什么是红色的？”
“红色是三价铁的颜色---火星表面被氧化了。金星也是一样。铁锈是什么颜色？”
“火星是铁的吗？”
“任何岩石行星都可以说是铁的。铁是宇宙中最多的金属元素。”
“为什么？”
“铁的原子核结合能在所有元素中最低。恒星在燃烧，最终的灰烬都是铁。我们的行星都来自于灰烬。地球也不例外。地球有一个融化的大铁核。不然你认为地磁场是哪里来的？”
“那地球怎么不是红色的，怎么没有被氧化？”
“谁说不是？科罗拉多大峡谷看起来就像火星。其他的地方，我们有生命保护着。”
“火星上不是没有氧气吗？”
“没有，但是火星上曾经有水。”
“水到哪里去了？”
“太阳紫外线和宇宙射线把它烤干了。这是化学的烤干，在海洋的表面，微量的水被射线分解成氧气和氢气，火星大概用了20亿年。来，谁来给我写个反应式？”
“那火星上有很多氧气和氢气？”
“氧气和岩石中的铁结合了，变成了红色的氧化铁。还会氧化其他的岩石成分。氢气太轻，火星重力拉不住它，泄漏到宇宙中去了。”
“地球为什么没有被烤干？”
“因为地球有很多氧气。分解出来的氢气一离开水面，就和大气层的氧气重新结合，变回了水，最终会回到海洋。”
“为什么地球很很多氧气？”
“因为我们有光合作用，有生命。火星上氧气不能积累是因为微量的氧气被铁和碳不断消耗，固定在岩石中。地球上的固定氧被风和水不断粉碎，又被光合作用释放出来。”
“也就是说生命保护了地球？”
“是的，地球也保护了生命。”
“地球上为什么会有生命，而火星上没有？”
“这个，我不知道...”
小老头终于被问倒，全体学生大笑，我却一直在惊奇和震撼中。他说的全是简单物理、化学，我在学校基本都学过，却从来没有给我如此透彻的视界。
从那时起，我明白了科学=世界观。它不断回答我们对这个世界、对我们自身大大小小，乃至终极的疑问。下面要提到的公案，就是不同的回答在科学层面上的角力。
美国乃至整个西方，在二战后掀起了一股原教旨主义的潮流。如果你留意过近年美国社会的争论焦点和美国大选的论题，就会知道这不是一个小潮流，而是整个社会的精神大分裂。作为旁观的中国人来看，有的时候觉得美国人真是神经，总统辩论、政治风向天天吵这些鸡毛蒜皮的事。殊不知，这是两个阵营之间从世界观到价值观全方位的大战，这些鸡毛蒜皮都是刀尖。
新的原教旨主义者分成两种，一种在自己的地盘上以自己的武器战斗，比如坚称圣经句句真理。一种在现代文明的地盘上用科学的武器战斗，比如我们下面将要提到的鞭毛争论。比较好玩的是无论哪种论调，都很会给自己取名字。名字通常都冠冕堂皇充满现代知性的光辉，不管内容有多蒙昧。
比如“支持生命“(Pro Life)。什么意思？要求立法不准堕胎，极端者甚至不准强奸、乱伦的受害者堕胎。前几天共和党候选人罗姆尼宣布自己Pro Life，特别加上了“除了强奸、乱伦和危及母亲生命”，以示自己是温和派。与之相反支持堕胎权利的主张叫“支持选择(Pro Choice)”。
再比如“家庭价值”(Family Value)。什么意思？反对同性恋，以圣经中的判决来认定他们是社会的终极罪人。
还有“青年地球”(Young Earth)。这些人认为地球上有生命的历史不超过4000年。因为按照圣经上面的事件年代计算是这样的。比较牛X的青年地球专家，天天给公众解释诺亚方舟是怎么能够容纳一对霸王龙的。(霸王龙化石在美国太有名，你很难跟化石战斗)。
霸王龙大战方舟
再比如“平等教育”(Equal Educational Opportunity)。什么意思？美国是宪法规定政教分离的国家，接受政府资助的学校都不能教任何宗教。“平等教育”论者要求你可以讲进化论，但必须用同样的课时讲“替代观点”。否则你就不准讲进化论。
什么替代观点呢？不，我们不讲经书，不呼上帝之名，讲“智慧设计”(Intelligent Design)。
智慧设计论者是原教旨主义者中的胆小鬼。他们千方百计回避直呼宗教之名，以绕过法律和舆论的障碍，而把矛头指向基督教最痛恨的科学：进化论。智慧设计论者也是外派的特种部队，他们通常都会用科学的语言(未见得是科学的方法)来发起挑战。比较老也比较经典的一个论战是关于眼睛的问题。智慧设计论者说，眼睛是一个非常精密的装置，各个部件离开整体都没有什么用处，因此它不可能是逐渐进化出来的(因为你们进化论者说进化出来的东西必然有用嘛!)，那么，它只能是某种高级智慧设计出来的。什么高级智慧？可能我不知道。它的名字我不能说。这个逻辑，他们称作Irreducible Complexity, “不可降解的复杂度”。
关于眼睛的论战跟这篇文章的科学关系不大，只说结果：它被完全地驳倒了。生物学家找到了若干种中间形态和中间产物的生物证据。事实上这场论战推动了这方面研究的发展。
进入九十年代，智慧设计论者找到他们新的旗手：比希(Behe)，以及新的战场：细菌鞭毛。比希是美国LeHigh大学的生物化学教授。我在第一节中曾把他归类于神棍，这里要致下歉，因为比希比通常的神棍要严谨、讲道理得太多太多。比希在2000年后，曾经出来纠正他以往的看法，说他不再相信“青年地球”，并相信生物有共同祖先。问题在于比希被自己的论点捆绑得太深(我最近在LeHigh大学的主页上还看见校方的免责声明：我们尊重比希教授的独立见解，但我们大学整体不同意他的任何理论。呵呵)，而且他被原教旨主义的狂潮无限炒作、歪曲和滥用了。
比希的原始论点是这样的：很多细菌都有自己的运动装置，鞭毛。鞭毛是由几十个蛋白质部件组合而成的，各自有非常独立和确定的作用，使得细菌可以在液体中快速运动。这个机械的各部分分开都没有明确的作用，而且非常复杂，因此，这是不可降解的复杂度，因此，它不可能是进化来的，因此...简而言之，这就是眼睛问题的翻版，不同在于深入到分子生物化学的层面，显得异常高深和有说服力。1996年，他把鞭毛理论上升到对整个达尔文进化论解释的质疑，写成一本书：《达尔文的黑匣子》。这本书在美国超级畅销，远远超过一般高水平的科普书籍。一时间智慧设计论尘嚣直上，所有的宣传都鹦鹉学舌般应用鞭毛悖论。在google上搜“鞭毛”和任何智慧设计论关键词的组合，回来的结果都能淹死你。比希一炮打响，影响力到了这种程度：美国一场“平等教育”论者起诉学校的风头官司，从小地方直打到宪法法院，比希作为原告唯一的科学界证人出庭作证：智慧设计论到底是不是科学？结果官司是打输了。比希成了悲情英雄，这场官司也就成了美国政府为了党派利益压制“科学研究”的铁证，好比美国“平等教育派”的温泉关战役。
我们借助2000年左右的科学深度，来看看鞭毛到底是个什么东西。
鞭毛是一个复合蛋白装置，穿透细菌的细胞膜延伸到外部。在膜内部，鞭毛的蛋白构件呈同心圆环状排列，有三个环绕根基分开120度的蛋白“齿”，作为定子的凸起曲杆。鞭毛受化学渗透作用驱动，细胞膜外的质子水库透过穿透鞭毛的同心圆蛋白孔道滑落，赋予定子张力，定子顺次扭转一部分化学键，驱动中间的转子旋转。转子是穿透整个装置延伸到外部的蛋白构件，形状就像你喝可乐的麦秆，外部弯折，拐弯处还有一个蛋白护套。转子根部受定子驱动而旋转，外部跟着搅动，就像你用手搓麦秆，吸口处发生的搅动。细菌就用这样的装置“划水”，转子速度可达每秒几千转，细菌的运动速度可达每秒60个身位，(猎豹的最高速度也才每秒25个身位)，可见这个运动机器的高效。鞭毛还有一个开关蛋白，稍稍变化形状就能反转整个装置旋转的方向。
分子水平动态模型图，图片出处：http://www.mrc-mbu.cam.ac.uk/
确实是非常复杂精密的机器，难怪比希会产生那样的哲思。但是这个结构和驱动原理是不是似曾相识？
没错。比希在具体方法上的悲哀之处就在于他的书几乎和沃克的研究同时代，错过了沃克及其他人对ATPase的后续挖掘。还有一个悲哀是在他的时代，蛋白质基因定序分析来源的技术还没有成熟。不管是在结构上，驱动原理上，还是在组成蛋白的来源上，现在的分子生物学界都明确了ATPase是鞭毛的进化雏形。其中还有好几个中间状态。大致是这样一种进化阶段关系：
原始生命的胞膜进出孔道→ATPase→III型细菌分泌系统→细菌粘附装置→细菌纤毛→鞭毛
每个阶段的形态都受化学渗透驱动，采用一样的动力结构，而特化或者移植新的蛋白成分。其中“III型细菌分泌系统”是细菌特有的一种主动运输装置，它和鞭毛的相似是论战一开始就被其他科学家指出的。它含有一根由ATPase中空转子特化形成的“针管”，细菌用来分泌化学物质到环境中，给其他微生物“打针”，甚至用来和其他细菌“性交”，它也是鞭毛转子的雏形。
比希的“不可降解”理论在新的科学证据下跌得粉粉碎，曾经有一个反对者尖刻地说：“不可降解？是你不会降解。”但是直到今天，鞭毛仍然是智慧设计论者的“上帝之鞭”，你上网随便看一篇他们的宣传都能看见他们兴高采烈地挥舞。
化学渗透和ATPase在生物学理论上最根本的意义就是它完全是生命的基本特征。原核生物细菌、古菌类，真核生物的线粒体和叶绿体，全都使用相同的动力，全都拥有基本一致的ATPase。在最原始的细菌中，质子动力的普遍性和根本性表现得最充分，细菌不仅用化学渗透制造ATP，还用它进出口物质，驱动自己运动，保持膜外的质子浓度是细菌压倒一切的代谢优先任务。细菌是比我们高明得多的化学家，不仅仅使用氧气氧化糖来泵出质子(有时候还使用钠离子替代质子)，还使用几乎是无限多种氧化还原反应，比如用硫化物氧化铁盐(这种代谢贡献了我们现在开采的所有的高品位铁矿带)，或者硫化氢与甲烷，甚至还有氧化铀元素的强悍细菌(它们聚集的铀残留物曾经让法国人相信非洲国家偷偷研发了核武器)。能在生物体内成立的氧化还原动力，细菌几乎都发明了。不管是那一种化学动力，最终都归结于泵出质子。当氧化还原反应原料不够，膜外H+浓度告急时，很多细菌还停止其他一切活动，采用最古老的无氧呼吸：发酵，低效率地生产ATP，用这些ATP来驱动ATPase反向工作，把质子泵出去，保持膜外浓度---因为细菌需要化学渗透不仅仅是为了生产ATP，它是细菌的生命线，一切生命活动的基础。进化到你我这样的人类，这种机制仍然存在：你狂奔之后是否肌肉酸痛？那是因为你的体内的“细菌动力”---线粒体跟不上能量需求，细胞发酵葡萄糖产生半截子的乳酸和ATP，是乳酸的毒性让你刺痛。
我们可以放心地说，生命最普遍的特征就是生命最初的特征。化学渗透普遍、基本到这样的程度，它的发现对生命起源的理论必然造成重大影响。下一部分(也是最后一部分)，将讨论化学渗透在生命起源上的意义。这里还要还比希先生一个公道：他的例证和论点虽然被粉碎了，但是他的内在逻辑并没有。因为我们已经看到化学渗透和ATPase本身也是非常复杂的机理和装置，那么在生命之初，他们又是怎么产生，怎么进化来的呢？这是科学现在还不能自信回答的问题，在这个问题上，各种理论的交锋，激烈程度不比美国政客玩堕胎差。不同的是，每种论点都有他自己的科学实证基础，交锋和证伪中大家的认识不断进化，而不是龟缩到2000年前地中海边的古书。
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