生物生長與合成

生命體最顯而易見的本領(lǐng)是生長。生命體生長是細(xì)胞生長和細(xì)胞分裂兩種過程的結(jié)果。人類和許多其他生物一樣，長到一定大小后，體積就基本保持不變。但我們體內(nèi)的所有組織都在不停地更新，有些組織更新的速率甚至快得令人難以置信，與此同時(shí)，我們體內(nèi)的多數(shù)細(xì)胞也在不停地生長著，形成新組織，替代舊組織。顯然，生物體需要攝入食物并將其轉(zhuǎn)化為自身的組成部分。古語有言：“人如其食。”我們?cè)诎咽澄镏械囊恍┓肿愚D(zhuǎn)化成身體的組分時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生一些廢物，如二氧化碳、水和尿素。能進(jìn)行光合作用的生物則會(huì)將這些廢物轉(zhuǎn)化成自身細(xì)胞的組分。無論哪種方式，本質(zhì)上都是原子從環(huán)境中進(jìn)入了生長中的生物體內(nèi)。

從根本上來說，生長是一個(gè)化學(xué)過程。在分子間發(fā)生相互作用的過程中，各自的原子互相施力使得舊化學(xué)鍵斷裂、新化學(xué)鍵生成，于是，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的分子間會(huì)發(fā)生原子的重新組合。舉個(gè)例子，在一些熱量的幫助下，空氣中的氧氣會(huì)與木炭中的碳原子結(jié)合形成二氧化碳。這是木炭燃燒時(shí)的產(chǎn)物，由于碳氧原子間形成的新化學(xué)鍵所含的能量比原來的碳原子和氧原子自身的化學(xué)鍵少，所以這個(gè)過程會(huì)釋放熱量。二氧化碳分子可以進(jìn)一步與水分子結(jié)合形成碳酸：H2O+CO2→H2CO3。

生命體的存活依賴于這樣的化學(xué)反應(yīng)，因?yàn)槊恳粋€(gè)細(xì)胞都必須從環(huán)境中攝取各種分子，然后將其轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨斫Y(jié)構(gòu)的組成部分，同時(shí)從中獲取能量。例如血液中必須要有持續(xù)的葡萄糖供應(yīng)，因?yàn)槲覀兩眢w的所有細(xì)胞都需要利用這些糖產(chǎn)生能量。細(xì)胞還會(huì)通過重新排列糖中的碳、氫、氧原子，形成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的蛋白質(zhì)等大分子來維持新陳代謝和生長。

生物體自產(chǎn)自銷的過程被稱為“生物合成”，主要發(fā)生在細(xì)胞內(nèi)。我們可以把細(xì)胞想象成一座工廠，但不是生產(chǎn)汽車或電視機(jī)，而是復(fù)制自身的工廠。工廠通常以流水線的形式運(yùn)作，每個(gè)工人負(fù)責(zé)組裝一個(gè)基本部件，依次運(yùn)作直到整個(gè)產(chǎn)品完成組裝。而像汽車這樣復(fù)雜的產(chǎn)品，需要多條流水線來制作不同的部件，最后再完成整車組裝。

生物體自我合成的過程都是相同的，所有涉及的化學(xué)反應(yīng)稱作代謝，每一條流水線叫作一個(gè)代謝通路，其中被轉(zhuǎn)化的分子叫作代謝物。在每一個(gè)代謝通路中，代謝物經(jīng)過一步一步地添加或刪減原子、原子團(tuán)，最后被轉(zhuǎn)化成終產(chǎn)物。一個(gè)代謝通路可能包括一系列反應(yīng)：第一步，一個(gè)分子中的兩個(gè)氫原子從相鄰的碳原子上被移除；第二步，一個(gè)分子的水被添加到這兩個(gè)碳原子上——H給其中一個(gè)碳原子，OH給另一個(gè)；第三步，氫原子從OH上被移除，使氧原子和碳原子雙鍵連接；第四步，一個(gè)NH2基團(tuán)添加到另一個(gè)碳原子上。這些變化必須一步一步進(jìn)行，因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)本就如此，每個(gè)正常細(xì)胞都包含成百上千個(gè)代謝物。

這樣的代謝通路基本是用來合成細(xì)胞所需要的單體和小分子的，有些則負(fù)責(zé)分解食物中的分子并釋放其所含的能量，這些能量之后會(huì)被用于生物合成等過程。細(xì)胞擁有的各種代謝通路能合成組裝蛋白質(zhì)所需的20種氨基酸、組裝成多糖的每一種單糖和脂質(zhì)等。所有這些通路的終產(chǎn)物之后都會(huì)被裝配到蛋白質(zhì)或細(xì)胞膜等結(jié)構(gòu)中去。