第三章 自制大肠杆菌模型

从一般突然降到特殊，这种突然下降使我感到宽慰。

有机物构造精密，有些地方精密到极细微的程度。原子是构成有机物的基本粒子。现在请你拿出比喻意义上的最大的放大镜，让我们看看对所有有机物中那些结构最为复杂的有机物的构造原理和活动方式能否有所发现。

迄今为止已被发现的化学元素大约有 100 种，这就是说有大约 100 个各自不同的原子种类。用作有机物基本粒子的原子占所有原子种类的四分之一强，而其中六种则最为常用。这六种原子是：碳原子，氢原子，氧原子，氮原子，磷原子，硫原子。

这几种原子组成分子的能力特强。一个分子就是一个原子协会，这个协 会存在的时间有长有短。一个分子可包含任意数目的原子，从两个到 200 万不等。分子中的原子以某种特定的方式连接在一起，这种连接原子的特定方式具有重要意义。分、子并非仅仅表现为一团团结合在一块的原子，远非仅仅如此。有机物中有许多大分子，用“机器”形容有机物最为贴切。

即使是原子，其本身也是相当复杂的东西，原子的内部结构就相当复杂。它们仍然相当神秘。我们只知道原子含有三种最主要的实体，即电子、质子和中子，而不同原子所含有的这三种实体的数目也各不相同。

除了证明原子种类的多样性以外，研究亚原子的深层结构对于我们的探索目的并不重要。在有机物中，此种深层结构的变化，即从一种原子变成另一种原子，是一种极为反常的现象。

在另一方面，原子中有一种比那种深层结构要浅的结构，这种结构不可忽视。作为原子构成成分之一的电子，即那些奇特的、重量很轻的带电粒子， 经常可以附在原子和分子中，也可以很容易脱离原子和分子。电子的这种特性导致了离子的产生。这些是原子，或原子团，有些原子带“负”电，因为它们获得了一个或更多的额外的电子：有些原子带“正”电，因为它们失去了一个或更多的电子。例如，氯原子在细胞中几乎总是一成不变地呈现为负离子（Cl-），而钠原子却因失去了一个电子而呈现为正离子（Na+）。（用“正”和“负”的概念来形容两种电荷可能有点令人觉得奇怪，这里一个重要概念就是：在正负两种电荷中，同种相排斥，异种相吸引。）

电子是构成原子之间的共价键的关键。这种共价键则为性质稳定的分子的形成提供了可能。电子，或电子对，就像一对对铆钉将原子铆在了一起。在分子形成或分裂或分子结构被重新安排时，电子对则不断地倒换位置。

为了方便论述紧接着就要论述的问题起见，我们可以打一个比较世俗的比方。我们可以将一个装有成对按扣的某种颜色的珠子当作一个原子模型（对于离子来说，按扣的数目须做些修改，但这种修改无关紧要）。例如，你可以将那种最小的原子，即氢原子，设想为一个装有按扣的珠子。把两个这样的珠子合在一起就成为一个氢分子模型，如图所示：

在纸上则通常用这样的图形表示：

H—H

图中中间那一小横则表示共价键。氧原子和硫原子各有两个按扣。氮原子会有三个，碳原子有四个，而磷原子的按扣却多达五个。

原子结合在一起生成共价键的方式受到其它某些规则的限制，但即使如

此，将原子组成分子的方式仍然有很多很多，对内部含有碳原子的有机分子来说，尤其如此。碳原子是一种良好的建筑单位。这不仅仅是因为每个碳原子的珠子带有 4 个按扣，还因为这种原子特别适于制造锁链或戒指。

为了使你对原子组合成分子的方式之多有一个概念，这里列举由九个碳原子和 20 个氢原子连接的两种方式，如图所示：

这九个碳原子和 20 个氢原子之间有 35 种连接方式，以上列举的只是其中两种。这些连接方式各自不同，但在每一种方式中，每一个氢原子只和一个碳原子相连接，而每一个碳原子却和邻近的四个原子相连接。把原子用不同的方式连接在一起就成为不同的分子，成为不同的物质。这些方式之间的区别就像一支曲调和另一支曲调的区别一样，每种方式都是简单元素排列的独特方式。

分子中的原子数目只需增加几个，其排列组合方式却可增加许多。例如， 把 40 个碳原子和 82 个氢原子排列组合在一起，其排列组合的方式可多达 60 万亿种。用化学家的话来说就是，分子式为 C40H82 的化合物有 60 万亿种。这些化合物的分子各自不同，因而每一种化合物都是一种独特的物质。（在另外还含有氧、氮和磷原子的有机分子中，其原子的排列组合方式举例可见附录一。）

一组相关有机分子的数目很大，大得几近荒谬。这样一组有机分子就像西方音乐中根据一定的规则所能作出来的各种各样的曲调一样，或者说像国际象棋中可能出现的各种棋局一样。尽管有规则限制，仍然还有大量的可能性有待于探索。然而这一有待于探索的领域却只有那些有一定专门知识的人才能进入。要探索构成有机分子的各种可能的方式至少需要知道怎样区别原子的各种排列组合方式并知道怎样将原子排列组合起来。拿作曲来说，作曲者至少应该知道怎样选择音符和怎样安排音符。下棋也一样，下棋者至少应该知道选择哪个棋子，知道每一步如何走。对于制造有机分子、探索有机物所探索的那个广大的领域来说，这个工作要求的精确性极高。一般来说，哪个原子安排在哪个位置对分子的形成都有关系。有机物绝大部分大分子的原子排列组合具有很高的精确度。这种分子的构成必须非常精确，否则它就无法具备应该具备的最关键的功能，例如识别和印制信息带上的信息等等。

因此，假如你想用不同颜色的珠子试做一具大肠杆菌模型，你在制作过程中必须特别小心，这些珠子必须以正确的方式连在一起。

如果你决定要做这么一具模型，那么我应该提醒你，你需要有一个较大的场地（例如一个像早期教堂的中殿那么大的地方），此外，你还需要有足够的时间和财力。

假设你已经决定开始制作，你首先必须找到一个能以优惠价格为你提供各种各样的带按扣的珠子的珠宝商。假如每个珠子可用一英镑的价格获得， 那就更好了，因为即使以这种优惠价格计算，要购到制作模型所需的全部珠子需花费大约 20 亿英镑。购买水分子的花费约占购买全部材料花费的 70％。也许你在这方面可以削减部分费用，但我建议你还是买已经做好的现存的水分子为好。

制作大肠杆菌模型所用的珠子越小越好。它们必须小于一厘米粗，这样， 做好的模型才有可能在像索尔兹伯里教堂那样大的地方中放得下。此外，你还需考虑用什么方法才能使这个像肠子似的庞然大物处于良好状态。这样制

作出来的大肠杆菌模型可能重达好几万吨，因此，地面必须加固才能承受这样重的东西。

你还需要大量的受过良好训练的工作人员。假如每个工人连接珠子的速度是平均每五秒钟一个，每个工人每天工作八小时，一星期工作五天；按这样计算， 1000 名工人大约需要 35 年才能完成模型的制作。（这是按照水分子买现成的、不需自己制作的情况计算出来的结果。）

假如你知道一个真的大肠杆菌仅需半个小时即可完成同等量的工作时， 你也许会因放弃这一工程而感到泄气。大肠杆菌在通过使细胞一分为二而合成分子的过程中所需完成的操作同制作模型是一样的。诚然，大肠杆菌并不是把原子当做加工的原料。它通常是把分子，例如氨基酸，当做加工原料， 这种分子可直接用于制造较大的分子。即使是在这种情况下，大肠杆菌仍需完成大量的操作。例如，这种养料分子须由大肠杆菌皮肤内的机械识别并送进杆菌内。此外，这种被杆菌吸收的养料分子往往还须加以拆开，才能成为制造杆菌所需的分子的原料。其实，即使制造一个共价键，这种工作也非轻而易举就能完成，例如，在把氨基酸分子组合起来合成蛋白质分子的过程中获得的共价键就是经过了好几道独特的工序才形成。因此，无论你从哪方面看，这都是一项艰苦的工作。

应该承认，还有一件事也有可能令你感到气馁，这就是：你制作出来的模型可能得不到他人的赏识，例如，当你好容易才说服教堂的主教同意将你造出的大型模型陈列在教堂的中殿后，前来参观模型的人们可能会说它只不过是一袋珠子而已。

他们的看法确有几分道理。模型毕竟是模型，不像真的大肠杆菌。它只能静静地躺在那里，一动也不动，看起来就是一个沉甸甸的大袋子。

那么，要怎样才能造出一具能够活动的大肠杆菌模型呢？

大肠杆菌能够活动，其原因之一在于那些作用于分子之间的力。共价键产生的力使分子能够保持原型，此外，分子之间还有一种力，这种力较之共价键产生的力要小，因此是一种辅助力。你造的模型必须以某种形式吸收以上两种力。有机物的分子主要通过辅助力相互作用。例如，甲分子可以和乙分子联在一起，因为它们彼此适合对方，能够配合。你可以把甲分子当作手， 那么乙分子就是手套。作为手套的乙分子可能很不错，但也许却不完全适合作为手的甲分子。因此，如果把手的形状稍微改变一下，即把甲分子的内部共价键稍微拉紧一点，这样，手套套在手上就显得非常合手。这时，甲分子中的部分按扣将会弹开，然后再以另一种方式重新合上。

这就是酶活动的方式（至少是其活动方式的一部分）。酶是一种蛋白质 分子。这种分子较大，大到可以控制它周围其它的分子并可通过重新安排这些分子内部的共价键而将其改造。酶是有机物中一种主要的专业机床。

天晓得你会以什么方式在模型中摹拟产生那种作用于分子之间的力。（也许用小磁铁？）但有一点是肯定的，这就是，你的费用又将增加。我们同样可以假设你已通过某种方式在模型中摹拟产生了那种力（甚至可以假设你把整个模型搬上了地球同步轨道从而消除了重力的作用）。然而即便如此，你的模型仍然是一个不能活动的东西，原因在于原子与分子之间的力量还不够大，不够产生一种连续活动。因此，你必须使你的巨大的袋式模型晃动。你必须不断地用劲晃动模型，而所用力量又须恰到好处。这种晃动模型用的力量必须大到足以使珠子做成的分子在袋子里到处乱窜。这就是说，这种力量

必须大到通常可以克服那种使分子相互作用的相对弱的辅助力。在另一方面，这种晃动也不能过于猛烈，以至使分子里的共价键纷纷断裂。

假设这些技术问题都被你解决了，那么你就可以开始看到事情正在起变化。此时，模型中的分子己有机会同别的分子相遇。大肠杆菌模型中的 2000 余种酶此时也有机会与其周围的能引起性质改变的分子相撞。你甚至可以看到酶已可以活动。

然而直到此时，你的大肠杆菌模型恐怕还不能真正活动。你还需解决一个问题，即你的振动器必须能够对它所产生的振动力加以适当的控制。这种振动力必须能够从小到大按适当比例变化，而由振动产生的大小力度不同的推撞力则须通过某种方式平均分配给模型中的所有分子。你是否能够使你的振动器产生正确的振动力，换句话说，即是否能够摹拟产生真正的分子所具有的那种热骚动，我表示怀疑。

现在，对于摆在教堂里的那具大肠杆菌模型为什么只能像一袋珠子那样静静地躺在那里的原因，你已经有所了解，这是因为它缺少一种要素，这种要素就是原子和分子具有的永恒运动的特性。原子和分子总是在移动，在旋转，在振动，在推撞，而它们在做所有这些运动时却并不需要外部动力。

原子具有的永恒运动的特性早就为希腊哲学家预言过，但直到 19 世纪才被真正确认。了解这种特性不仅对于认识原子本身而且对于化学这门学科的了解都具有重要的意义。分子也运动，只是分子越大，其运动速度也就越慢。事实上，所有物体均处在一种热骚动状态，同时却又受到周围那些参与整个分子运动的分子的冲击。但是，如果一个物体大到肉眼可见，这个物体发生的纯热运动却变得小到无法察觉，尽管这个物体的内部振动强度，即其原子和分子产生的振动强度可通过触摸并根据该物体的温度而估计出来。

请注意，前文就原子和分子、原子和分子以及其运动之间的力量所做的讨论均属于物理学和化学的范畴。因此，大肠杆菌的分子运动激烈并非一种特别现象。它们运动激烈是因为它们本身都很小，也因为它们所处的环境还是太冷。原子和分子具有的永恒运动的特性似乎是一种魔力，然而这种魔力却并非生命所独有。大肠杆菌与其它任何物质的区别在于分子的具体的行为特征。大肠杆菌分子的狂热运动似乎带有一定目的，而这个目的则可以（而且最终也只能）从控制分子行为的信息中找到。人们也许会被大肠杆菌分子的运动所诱惑，认为这种运动最像生命的特征，或者说就是一种生命特征。但实际上作为生命特征的是信息而不是分子的运动。

“⋯⋯事情变得不是更加简单而是更加不可思议。”