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。


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
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”（锂制剂），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。


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。


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。
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。


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：
http://www.arn.org/docs/mm/flag_dithani.htm
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“**”，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（这种代谢的结果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时，膜外H+浓度危险时，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。
sorry，我把Prozac（中文百忧解）和 Duralith两个药名和成分记反了。你说得对，Prozac的成分是盐酸氟西汀，Duralith的成分是碳酸锂。两者都是抗抑郁、狂躁药物，英文药名通常都是怪字，我们这些非母语的很不顺溜。豆瓣的回复也没法改正...
碳酸锂是最早发现的抗忧郁性神经药物，也最早用于治疗。Prozac是名气最大的抗抑郁症药物，但它是后续研发成果，不含锂的。


六 吹皱一池春水
生命起源的问题，向来是生物学中的皇冠，同时也是Mission Impossible。这是一个发生在近40亿年前，绝大部分物质证据都早已湮没的问题。又是一个我们已知的世界中只发生过一次的孤立事件，没有可以归纳的基础。同时它横跨生物、化学、地理、地质、气候、海洋、宇宙学诸领域，涉及的已知和未知千头万绪。最麻烦的是，即使有人真的发展出和事实相符合的理论，也几乎没有可能验证---这个实验本身很可能耗时千万年，或者上亿年。然而这丝毫没有驱散各领域科学家对这个问题无休止的兴趣。自从宗教的枷锁打破之后，科学性的生命起源假说有不下几十种，随着各学科的进步不断演进，不断丰富细节和淘汰伪说。
这些学说在方法上大体上分为两类，一类是正向的还原法，即不断搜集地球生命初始时代遗留下来的蛛丝马迹，包括化石、碳痕迹、同位素异常等等，不断试图还原当时的大气、海洋或者地质化学条件，试图通过模拟的实验，一点点验证生命起源的历程。这是传统的方法，它搜集和整理了大量的证据和数据，尤其在年代测定方面发展了很多高明的技术，取得了很多成果。到目前为止，最早的生命活动残迹可以上溯到38亿年之前，是由极其古老的岩石中碳同位素扰动间接证明的（生命是已知唯一改变碳同位素比例的自然过程）。
另一类是反向的反演法。最早的生命虽然早已死亡，但是它们的后代充满地球生物圈。这些后代种类极其繁杂，但是它们在分子生物和生物化学的层面具有令人惊奇的共性。这除了让科学研究者更加坚定了“生命同源”的信心之外，还提供了一个新的思路：共性即共祖特征。共性越多的生物，它们的亲缘关系越近。越普遍的共性，越有可能是生命在遗传树“根部”的特性。绝对普遍的生物共性，几乎一定是生物起源时的特性。跟传统的还原法正好相反（还原法是苦于证据太少太不完整），现代的生理学和基因科学为反演法提供了海量的各种生物遗传信息。整个生物圈的数码化遗传信息：基因组都是证据，只看研究者如何去挖掘和解读。难在如何穿透近40亿年生物分化、变异和灭绝造成的数据迷雾。如果我们能反推出最初的生物是什么样的特性，则如何起源的问题就解决了大半。因为在生物学中，“你是什么”基本就表述了“环境怎样造就了你”。反演法的研究最喜欢的一个术语就是LUCA（Last Universal Common Ancestor）：“最后的共同祖先”。它是一个定义在逻辑上的生物，是现存所有生物的共同祖先。（之所以说最后，是因为不排除它之前更早的分支已灭绝且未留下后代）
曾经有一个建立在还原法上的假说，占据了权威地位，基本统治了二十世纪的大半部分。它的统治地位来源于50年代著名的“米勒实验”。米勒实验在简单的封闭系统中用氢气、甲烷和氨混合的气体模拟地球约40亿年前的“原始还原性大气”，辅以含水环境（模拟原始海洋）和不断制造的电火花（模拟大气中的雷电），在数天的时间内，就检测到了溶液中有基本有机小分子生成，时间越长数量越多，种类越丰富，包括各种氨基酸和核酸。这个实验当时可谓震惊科学界，因为谁也没有预计到如此简单的无机物原料和模拟环境，就制造出了蛋白质和DNA、RNA的基本组成单位，完成了从无生命到“几乎是生命”的飞跃。
有机小分子在原始海洋中不断生成，浓度越来越大，整个海洋成了富含有机物的“浓汤”。各种大分子（蛋白质、DNA、RNA）由小分子通过化学键像串珠一样串起来而生成（这是一个有实验基础的自发化学过程），开始互相竞争、淘汰、变异、组合。DNA、RNA的稳定性、自我复制性，辅以蛋白质的无限生物化学多变性使它们最终形成了机器-联盟，开始主动摄取能量，自我保存，自我传播---这已经是生命的定义。


搬运结束

从直觉与反直觉角度看各个学科的确挺有意思
物理学因为自然界本身就存在一些过程和影响都很单一的现象，因而更容易建立一些基础的正确的直觉，而物理学要人为的设计一个单纯的过程也容易的多，因而验证一些与日常经验违背的反直觉也容易，这使得物理发展较其他学科而言，系统性、准确性、严谨性都要高很多
从物理学到化学、生物学、医学再到一些文科学科，对象的复杂性混杂性都迅速的提高，以至于越多的处于混沌和非严格性的状态里

太多了。。。。晕

受普及了。谢谢。

太长了