生命编码背后的故事（之九）
孟德尔定律在20世纪初的重新发现为达尔文的进化论提供遗传学根基，摒弃自古希腊以来一脉相承的融合遗传理念。虽然引人注目，遗传和进化也只是生命现象的一部分。在那个科学突飞猛进的时代，生物学家也关注一个也许更为根本性的问题：生命是什么？生物如何活着？
这是一个亘古难题。无论日月星辰还是抛出去的石头射出去的弓箭，自然界的恒定和运动都有着明显的规律性。古人即使不了解个中道理，也能在一定程度上预测这些中规中矩的行为。希腊哲人因而认为自然界并不复杂，一切不过是土、水、气、火四种元素的混合。德谟克利特更进一步，认定世间万物都是由原子组成。
但生命却匪夷所思。植物花开花落，动物纵横驰骋，拥有发达大脑的人类的行为更是随心所欲神秘莫测。即便信奉“唯物主义”（materialism）的德谟克里特也不得不承认生命的特征是有着某种灵魂的存在，故而能够“活着”。亚里士多德更具体地将魂灵分作三个等级：草木植物最低，仅能自主地生长、繁殖。动物略胜一筹，兼具运动、感觉能力。人类则拥有最高层次的灵魂，在那些功能之外还具备独立思考的意识。
灵魂也是一个普遍的信念，在遍布全球的人类文明中都存在有不谋而合的想象：生命的不同在于它拥有内在的“活力”（vitality），独立于自然界的物理、化学规律。
的确，牛顿的动力学方程能够描述鸟类如何飞行、鱼类如何游动、人类如何奔跑，却无法解释它们飞行、游动、奔跑的动机，更无力预测它们下一步的行为。这与牛顿方程可以精确地描述、预测日月星辰和石头弓箭的运动形成鲜明对比。
18世纪的拉普拉斯认为那只是人类认知的暂时性缺陷。生命体的复杂在于它由近乎无数的微观粒子组成，无法同时准确地把握每个粒子的运动状态。虽然表面上自在随意，无论鸟、鱼还是人类的行为归根结底也不过是那些微观粒子依照牛顿动力学运动的宏观体现。拉普拉斯心目中的世界简单而逻辑，既不需要上帝的指导操纵，也不存在随机任意的自主因素。生命体与自然界所有无生命的物体一样遵从着相同的物理规律，无需独立于物理定律之外的活力。
随着牛顿动力学的辉煌成功，拉普拉斯的机械决定论成为知识界的主流思想。但面对鹰击长空鱼翔浅底的生灵世界，相当数量的生物学家依然相信生命之独特和神秘，其活力——灵魂——不可能用单调的物理、化学描述。及至19世纪，生命的机械论和活力论之间的争辩仍然经久不息。
1842年，德国化学家李比希（Justus Liebig）出版《动物化学》1教科书。他在其中不由分说地宣示：动物的每一个生理和心理活动都来自体内结构或物质发生的化学变化。与拉普拉斯一样，他不认为生命需要活力。
李比希的著作是近一个世纪“生理化学”（physiological chemistry）研究的结晶。与生物学家满世界收集标本，按照其表面特征分门别类不同，化学家着重于物质的内在构成。在实验室里，他们通过燃烧、蒸馏、溶解等手段提纯、分解各种样品，从中找出其基本成分，即元素。
希腊哲人想象的土、水、气、火四大元素没能经受实际检验。18世纪末的法国化学家拉瓦锡（Antoine Lavoisier）通过实验发现燃烧是一个化学反应，其中不存在“火”这么一种元素。木柴、煤炭燃烧时，燃料中的碳与空气中的氧结合成为二氧化碳，同时产生热量。氢气燃烧时生成水，表明水是由氢和氧结合而成的“氧化氢”，也不是元素。
暴露在空气中的铁会与氧结合成为氧化铁，即铁锈。金属生锈与木柴燃烧虽然表面上没有相似之处，它们其实是相同的氧化反应：不同的“燃料”与氧结合形成相应的氧化物。道尔顿正是从这些反应中悟出他的原子论。无论是固体的铁锈、气体的二氧化碳还是液体的水，它们都是氧化物，内中有着同样的氧原子。水分子由两颗氢原子与一颗氧原子结合而成。二氧化碳中有一颗碳原子和两颗氧原子。铁锈则是三氧化二铁。化学反应是原子之间互相分离、结合而拆散原有分子重组新分子的过程，其中原子本身保持恒定不变。它们是化学反应中的“量子”。分子因此可以用其原子的组成表示，叫做分子式（molecular formula）：水（H₂O）、二氧化碳（CO₂）、三氧化二铁（Fe₂O₃）等等。
如果没有足够的氧气，即使是熊熊的烈火也很快会熄灭。这便是因为燃烧的氧化反应无法持续。动物也离不开氧气，如若缺氧会即刻窒息死亡。拉瓦锡因而也细致地测量了呼吸过程，赫然发现那也是动物的身体在燃烧。人和动物昼夜不停地呼吸，就是为了吸入氧化反应所需的氧气，呼出其生成的废气二氧化碳。正是这个发生在身体内部不为人所觉察的燃烧提供着维持生命所需的热量，或“活力”。
有意思的是，呼吸也不只是动物的行为。几乎与拉瓦锡同时，荷兰的英格豪斯（Jan Ingenhousz）发现植物也会呼吸。在没有光亮的夜晚，植物悄悄地通过叶子吸进氧气呼出二氧化碳。但在阳光灿烂的白昼，它们却会反其道而行之，用叶子吸进二氧化碳呼出氧气。那是植物特有的“光合作用”（photosynthesis），借助阳光的能量在体内合成淀粉。
拉瓦锡在实验中认定多达30多种元素。将近一个世纪后，俄国化学家门捷列夫（Dmitri Mendeleev）也将它们分门别类，整理出有规律的元素周期表。那时已知元素的总数目已经超过60，更多的还在陆续被发现之中。这些五花八门的元素和它们彼此结合而成的化合物构造出自然界琳琅满目的一切万物。
令人惊奇的是这些为数众多的元素大多不直接参与生命活动。达尔文生命之树枝繁叶茂硕果累累，但搭建起这些千姿百态物种生命体的元素却寥寥无几。仅仅碳、氢、氧三元素就已经占据生命体超过90%的成分。在它们之外只有少量的氮、硫、磷、钙等，以及一些极其微量的元素。
这与没有生命的世界里几十多种元素争奇斗艳的情景大相径庭。化学家因而分而治之，将那些主要由碳、氢、氧组成，与生命活动息息相关的化合物称为有机物，而其它所有一切为无机物。化学也相应地有了有机化学和无机化学的区别。
研究生命体组成的生理化学是有机化学的一部分。虽然元素成分简单，有机物的分子却不像二氧化碳、三氧化二铁那样只是由屈指可数的几颗原子组成。它们的分子动辄即有几十颗、上百颗原子，属于日常熟悉的无机化学中不得而见的超级大分子。即使化学家费尽九牛二虎之力测定分子式，也无法直观地推断其结构和性质。他们只能利用观察到的宏观化学性质将它们大致分类。
植物中光合作用生成的淀粉属于糖类。它们的分子构成有着特定的规律：一定数量的碳原子加上成比例的氢、氧原子。其中氢的数量总是氧的两倍，正如水分子的构成。因此糖或淀粉也叫做“碳水化合物”（carbohydrate）。常见的葡萄糖（C₆H₁₂O₆）的分子由六颗碳原子、12颗氢原子和六颗氧原子——等价于六个水分子——组成，即一个分子就有着24颗原子。
如果分子中氢原子的数量超过氧的两倍就不再是碳和“水”的化合物，那是脂肪或油类。虽然只是多了少许的氢，脂肪却可以表现出与淀粉截然相反的性质。比如它不溶于水。
有着几十颗甚至上百颗原子的糖和脂肪分子与无机物相比已然庞大，但在生物体中它们还只是不值一提的小字辈。
早在拉瓦锡、道尔顿大显身手的18世纪末，化学家已经知道动物身体内富有一类叫做“蛋白质”（albumin）的化合物。那是鸡蛋清中除水分之外含量最多的成分，因之得名。但鸡蛋清中的蛋白质也只是同类化合物中的一种。同时被提纯、认识的还有纤维蛋白（fibrin）和明胶蛋白（gelatin）。不久，蛋白质也在植物中被发现。这个新分子的出现引起轰动。很多化学家竭尽所能，分解、分析其内部构成。但他们只得出蛋白质主要由碳、氢、氧以及氮组成，外加极少量硫和磷的结论，却无力准确地锁定每个元素的数目。
1838年，荷兰化学家穆德（Gerardus Johannes Mulder）领悟到原子是分子中的“量子”。如果蛋白质分子中有硫和磷，每个分子中至少必须有一颗硫和磷，不可能再少。这样他可以根据测量得到的各种元素含量比例推算出蛋白质的分子式。他如此得到一个前所未有的大分子，其中含有400颗碳原子、620颗氢原子、100颗氮原子、120颗氧原子，以及磷和硫原子各一颗（C₄₀₀H₆₂₀N₁₀₀O₁₂₀P₁S₁）。这是一个由1240颗原子组成的“庞然大物”。
最让穆德激动的是他发现从不同生物体得到的不同蛋白质基本上有着同样的元素成分，只是磷或硫原子的数目略有差异。穆德于是认为所有植物、动物的蛋白质其实是同一结构，它们以食物的形式在不同物种之间传递，构成生命的循环圈。一直以通信方式为他提供指导和鼓励的瑞典著名化学家贝采利乌斯（Jöns Jacob Berzelius）闻讯也兴奋异常。他认为这个在生命过程中非同小可的大分子应该有一个更为响亮的名字，并建议生造的“蛋白质”（protein）2。这个新名称由希腊语前缀（protos）而来，表示“最早”、“最重要”的含义。
短短几年后，当李比希著述《动物化学》时，蛋白质已经不负这一盛名，被确认为动物体内最重要的化合物。从血液到肌肉到内脏，五花八门但都有着类似化学成分的蛋白质无所不在。植物的生长、动物的奔跑、人类的思考——亚里士多德所谓生命之魂灵——都有赖于蛋白质的功能。活力，正如李比希宣称，来自化学变化。
在生物学家的实验室里，“活着”的不只是生龙活虎的动物和茁壮茂盛的植物。
列文虎克在17世纪已经在显微镜下看到活生生的细胞。在条件适合的培养皿里，早已完全脱离生物体的单个细胞依然能够自主地分裂。精子与卵子还可以结合成为受精卵——新的生命。细胞可以“独自”地活着，生命的活力并不需要完整的生物体。它因此应该就藏身于微小的细胞之中。
布朗描述的细胞核在细胞中微不足道。细胞本身充满着半透明的胶状物质，在那个时代被笼统地称作“细胞质”（cytoplasm）。除了偶尔发生突兀的分裂，细胞长时间没有动静。但即使在那些安宁的时刻，细胞质也在持续地进行有规律的流动，宛如一个忙碌但秩序井然的工厂。细胞就是这么活着。
一些生物学家很早就认为生命的活力来自细胞内的这些物理运动和化学反应。细胞质因而也被称为“原生质”（protoplasm）。它有着与几乎同时出现的蛋白质名称同样的前缀，意味着生命的源泉。
与化学家李比希相似，生物学家、“达尔文斗牛犬”赫胥黎在1868年时一语惊人地指出生命活力不过是原生质中分子相互作用的表现，那是“生命的物质基础”。他的论断引发轩然大波，倒使得原生质这个专业名词一时间家喻户晓。
那时候，化学家已经知道细胞质正是生物体中蛋白质的藏身之地。小小的细胞中有着数量繁多种类各异的蛋白质，扮演着至关重要的角色。他们正全力以赴分离、提取各种蛋白质样品以供研究。那已经成为生理化学关注的焦点。
德国的霍普-塞勒（Felix Hoppe-Seyler）也是开创生理化学的先锋。他在图宾根大学一座古堡底层的厨房和洗衣间里建立起世界领先的实验室，专注于寻找各种蛋白质。那是这个领域的黄金时代。各种各样的蛋白质就像生物品种一样数不胜数，只等着被一一认知归类。霍普-塞勒的实验室也不缺人手。远近的年轻学生纷纷慕名来这里学习手艺，希冀属于自己的发现。每人到来时会被安排一个目标，然后自己去学习、琢磨需要的实验手段。霍普-塞勒只提供一般性的指导，放任学生自由发挥。实验室更像是一个挤满了学徒工的作坊。
24岁的米歇尔（Friedrich Miescher）在1868年来到这里，随即被指定去寻找人体白血球（白细胞）中的蛋白质。那还是一个未经开垦的处女地。霍普-塞勒只告诉他白血球会集中于伤口的脓血里，隔壁医院有的是原材料。米歇尔于是成为手术室的常客。每隔几天，他来这里挑选伤员刚刚换下、浸透着血脓的绷带，带回由厨房改装的简陋实验室。然后，他兢兢业业地刷洗、过滤这些腥臭样品，想方设法提取白血球。果然，他很快一举发现四种未知的蛋白质。
细心的米歇尔注意到他的提取物中并不只是蛋白质。受好奇心驱使，他背弃导师继续寻找蛋白质的指示，集中精力提纯那些不明物体。它们与蛋白质很相像，也是由碳、氢、氧、氮组成的有机物。但它们比蛋白质含有更多的磷，却没有硫。这在已知的化合物中查找不到。
导师一如既往地漠不关心。米歇尔独自埋头苦干一年多以后确定他的样品既不是蛋白质，也并非细胞质的内容。它来自那小小的细胞核。米歇尔把它称之为“核素”（nuclein）。
霍普-塞勒这才吓了一跳。他对细胞的化学性质了如指掌，实在难以相信初出茅庐学生的发现。他把米歇尔写好的论文压下一年多没有发表，直到有时间亲自动手重复了整个实验才信服。在自己主编的刊物上发表米歇尔论文的同时，霍普-塞勒还撰文称赞这个出乎意料的结果非常重要，第一次揭开了细胞核化学组成的迷雾。
凭借这一成就和大名鼎鼎导师的推荐，米歇尔破天荒地以28岁的低龄获得瑞士家乡巴塞尔大学的教授席位。他不再需要整天冲洗血污的绷带。每年秋天，学校附近的莱茵河中会充斥大量洄游来产卵的三文鱼，非常容易捕捞。雄性鱼的睾丸里正挤满着无数蓄势待发的精子，经过几道简单的工序就能从中提纯出核素。米歇尔进一步确认核素呈酸性，其分子由29颗碳原子、49颗氢原子、9颗氮原子、22颗氧原子和三颗磷原子（C₂₉H₄₉N₉O₂₂P₃）组成。虽然比不上蛋白质，那也是一个有着112颗原子的有机大分子。捎带着，他也在三文鱼的精子中辨认出几个新的蛋白质。其中一种呈碱性，似乎与酸性的核素关系紧密。他将之命名为“精蛋白”（protamine）。
那是1873年，米歇尔尚未进入而立之年却已经抵达科学生涯之巅峰。在那之后，他虽然勤奋依旧却碌碌无为每况愈下，不再有新发现。虽然被霍普-塞勒称赞为非常重要，他的核素也没能引起注意，在学界销声匿迹。
直到近十年后的1882年，弗莱明观察到细胞分裂瞬间在细胞核所在处出现的染色体。后续分析实验表明染色体有着与核素相似的化学特性。弗莱明因而猜测染色体大概就是核素。
那时，霍普-塞勒也已经离开图宾根转到斯特拉斯堡。那里传统上属于法国的阿尔萨斯，在不久前的战争后被割让给德国3。
19世纪已经进入尾声。分析生命体化学成分的生理化学正在悄然演变为以生物大分子的功能和反应过程为中心的“生物化学”（biochemistry）。斯特拉斯堡大学聘请霍普-塞勒担任化学系的系主任，意图正在于建立全球第一个生物化学系，引领世界新潮流。
在那里，霍普-塞勒物色到一个与十多年前的米歇尔颇为相像的年轻学生，分配他研究那个早已被遗忘的核素。
（待续）
Animal Chemistry
在那之后，“protein”泛指所有种类的蛋白质，而“albumin”则特指蛋清中存在的那一种蛋白质。中文一般都叫做“蛋白质”。特指的“albumin”也被翻译为“白蛋白”或“清蛋白”。
一定年龄层的中国读者大概还记得以此为背景的法国小说《最后一课》（La Dernière Classe）。
跟生命类似的是驻波：一根昡线，拨了一下它在那里振荡，你可以用一些方法输入能量让它维持震荡状态，它也可以慢慢停止，停了你无法用某些方法输入能量让它回复振荡。