二十世纪最“反直觉”的伟大生物学发现：化学渗透

罗维川的话：很不错的科普文章。对于没有什么生物基础的同学，其中部分内容可能有点难理解，但凡是学理科的同学，（包括心理学，现代心理学不应该算作文科，而且趋势是向science靠拢，私以为在不久的将来psychology将被大多数人承认为Science的范畴，其进程很大程度上手生物学的发展速度影响），我觉得都应该看一看，一些细节可以跳过（比如没有学过化学渗透的同学，不一定非要弄懂）。虽然有一些明显的细节错误，但其中的一些思想理念还是值得学习借鉴的。基础学科的突破极为不易，需要大家一同添砖加瓦！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“刚性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，那就是仅仅“篡改”了一条欧几里得公设，就闯出一片新天地的罗氏几何。【图片出处：medicobsantiago.obolog.com】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（在不久以后就将被进阶的“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“上帝不掷骰子”，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严格等于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说，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，神创论者洋洋得意的雄辩（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，仍然有少数严肃的学者在掉进相同的直觉陷阱（FredHoyle，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他们叫板，所以这里先暂且不提，后文再加讨论。并不是说，科学家就不会被直觉蒙蔽。前面曾提到，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。进化论就曾有直觉与反直觉的争论，即是用进废退学说和自然选择学说。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。【化学渗透简单模型，图片出处：】二.背景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。【图片出处：】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：抑郁症，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，抑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”：发现锂制剂及其他药物的神经生物作用后，心理学也同时在生物学上触底了。90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抑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抑郁症案例都用药物治疗，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出发，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。有氧呼吸的氧化剂是氧气（O2），还原剂可以简化认为是葡萄糖（C6H12O6）。不像自然失控的普通有氧燃烧，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：Pi），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