第三節
原始細胞可以在自然條件下形成

生命的形成除了有機分子以外，還需要一個重要的條件，就是這個系統必須與環境分開。生命活動包括大量的化學反應，而這些化學反應又是在水中進行的。如果沒有一個“墻壁”把這套系統和環境分開，一個大浪打來，組成生命的分子被稀釋，生命系統也就蕩然無存了。這個“墻壁”應該能夠阻止組成生命的分子逃逸，又應該能夠讓生命和外界進行物質交換。這個被“墻壁”圍起來的小空間就是原始的細胞，“墻壁”就是細胞膜（cell membrane）。由此可見，生命必須以細胞的形式開始。要知道分子如何在水中形成細胞膜，就需要知道這些分子之間怎樣相互作用，以及這些分子又怎樣與水分子之間相互作用。

分子之間的作用主要是通過電荷之間的作用

在形成我們的宇宙的大爆炸發生后的10^-43秒，我們的宇宙已經急劇膨脹，物質之間相互作用的4種力，即強作用力、弱作用力、電磁力和重力，開始起作用。強作用力是把基本粒子（比如質子和中子）結合在一起的力，其作用距離比氫原子的尺寸還小100萬倍，所以只能在原子核中起作用。弱作用力和中子衰變為質子、電子和中微子有關，和分子間的相互作用也沒有關系。萬有引力約為電磁力的1/10³⁷，在分子的相互作用中可以完全忽略不計。所以分子之間以及生物大分子內不同部分之間的相互作用力，只能是電磁力。在電磁力中，磁場的產生需要電荷的移動。而在生物體內，電荷（比如各種離子上的電荷和分子上的局部電荷）的數量非常多，而且以極高的速度向各個方向運動，分子和離子之間又以極高的頻率相互碰撞，所以這些電荷所產生的磁場基本上互相抵消，生物體內的“凈”磁場的強度極其微弱，約為地磁場一千萬分之一。這樣弱的磁場對分子之間的相互作用微乎其微，所以分子之間和分子內不同部分之間的作用力，基本上就是電荷之間的作用力。這種電荷之間的作用力又分為兩種，一種是相對局部和定點的，另一種是較大范圍和動態的。這兩種類型的電荷作用力，決定了化學鍵和分子是極性的還是非極性的，這兩種性質互相配合，是細胞膜和生物大分子形成和維持相對穩定結構的基礎。

化學鍵和分子的極性和非極性

處于元素周期表上同一周期的元素外層電子的層數相同，電子數從1開始，直到8把外層軌道填滿為止。外層電子數增加時，原子核中質子的數量也相應地增加，以保持電荷平衡。這樣對于同一外層軌道上的電子來說，逐漸增加的原子核正電荷數意味著把這些外層電子“抓”得更緊。當兩個原子之間形成共價鍵時，如果兩個原子的原子核對這些共用電子的“抓力”相當，那么這些共用的電子就在兩個原子之間“均勻分配”，不偏向任何一方。由兩個同樣的原子組成的分子，比如氧分子（O2）和氫分子（H2）就是這樣的情形；碳原子和氫原子之間也是這種情形，例如由1個碳原子和4個氫原子組成的甲烷CH4（圖1-1）。在這些情況下，分子總體和局部都不會帶電。這樣的化學鍵叫做非極性鍵（non-polar bond），這樣的分子叫非極性分子。

但是如果兩個原子對這些共用電子的“抓力”不一樣，共用電子就不再在兩個原子之間均勻分配，而是偏向“抓力”強的一方，這樣分配到更多共用電子的原子就會帶一些負電，另一方原子就會帶一些正電。比如氧原子和氫原子通過共用電子形成水分子時就是這種情形。氧原子對共用電子“多吃多占”，帶一些負電，氫則帶一些正電。而且由于氧原子的2p亞層軌道的方向，這兩個氫原子并不和氧原子在一條直線上，而是偏向氧原子的一邊，兩個化學鍵之間有104.45度的夾角。這樣，水分子的正電荷中心和負電荷中心就彼此不重合，從總體上看就是水分子“一頭”（氧原子“那頭”）帶負電，“一頭”（兩個氫原子“那頭”）帶正電，所以氫原子和氧原子之間的化學鍵就叫做極性鍵，水分子是極性分子。既然氧原子帶負電，氫原子帶正電，一個水分子中的氧原子就能夠和其他水分子中的氫原子通過正負電荷相互吸引，這樣形成的聯系叫做氫鍵（Hydrogen bond）（圖1-6）。氫鍵的力量雖然沒有離子鍵和共價鍵強，卻是分子之間最強的作用力之一。水分子之間就是因為有氫鍵，彼此“抓”得很牢，所以水分子雖然很小，相對分子質量只有18，水的沸點卻很高，即一個水分子不容易“掙脫”其他水分子的吸引力，“飛”到空氣中去，在一個大氣壓下水要到100℃才沸騰。而分子大小和水分子差不多的甲烷，相對分子質量16，由于是非極性分子，沸點卻低到-161.5℃，在常溫常壓下是氣體。

非極性分子由于整體和局部都沒有固定的電荷，按理說它們之間應該沒有吸引力了，甲烷極低的沸點似乎也支持這個想法。但是汽油也是由許多不同的碳氫化合物的分子組成的，在室溫下卻是液體，這說明這些分子之間也有吸引力。這又該如何解釋呢？1930年，德裔美國科學家弗里茨·倫敦（Fritz London, 1900—1954）提出了一個假說來解釋非極性分子之間的吸引力。他認為分子中電子的分布是動態的，雖然從總體上看，非極性分子的正電荷的中心和負電荷的中心彼此重合，但是在每一瞬間，這兩個中心不一定完全重合，這就會產生瞬時的極性。這個極性又會影響相鄰分子中電子的運動，在相鄰的分子中“誘導”出極性來，而且“誘導”出來的極性的方向與第一個分子中的極性方向相反，例如第一個分子中瞬時的局部負電荷會在相鄰分子的地方“誘導”出正電荷來，這樣兩個分子就會相互吸引。通過這種機制形成的分子之間的吸引力叫做倫敦力（London force），以提出這個學說的科學家“倫敦”的名字命名。因為這種力不是固定在分子的某一部分的，而是隨機發生在分子的大范圍內，所以又稱為色散力（dispersion force）。

分子之間通過極性鍵（包括氫鍵）的相互作用，和通過色散力的相互作用，都是正電荷和負電荷之間的吸引，而且都只在短距離起作用（大約3到5個氫原子直徑的范圍內）。極性鍵之間的作用力和色散力雖然都是電荷之間的作用力，它們之間卻有重大差別。極性鍵中的電荷是持續存在的，位置也是相對固定的，因此極性鍵之間的作用是“持續”和“定點”的，作用方式基本上是“點對點”。而色散力是隨時變化的，電荷沒有固定的位置，可以“平均”為分子之間的大范圍相互作用，無法精確定位，作用方式是“面對面”，或者分子的“整體對整體”。在強度上，極性鍵之間的相互作用一般比色散力要強得多，除非非極性分子很大，接觸面也很大。這兩種作用方式不同的電荷作用力彼此配合，在細胞和生物大分子結構的形成上起關鍵的作用，包括蛋白質的三維結構，DNA的雙螺旋，以及細胞膜的形成，我們在下一章中還會詳細討論這些問題。

分子在液體中的溶解度在很大程度上受分子和液體極性相似度的影響。帶有比較多極性鍵的分子，由于帶有比較多的固定電荷，能和也帶極性的水分子“親密相處”，也就比較容易溶解在水中。這樣的分子或分子局部就被稱為是親水的（hydrophilic）。比如葡萄糖的分子中的6個氧原子帶負電，而和它們相連的氫原子帶正電，所以葡萄糖是高度溶于水的，25℃時，每100毫升水可以溶解91克葡萄糖，是親水的分子。而總體和局部都不帶固定電荷的非極性分子，由于無法和水分子形成比較穩定的電荷相互作用，它們分散到水中時又會破壞水分子之間很強的相互作用，所以不受水分子的“歡迎”而被“排擠”出去，自己聚在一起，被稱為是疏水（hydrophobic）的，也就是不溶于水。比如碳氫化合物“苯”（benzene，由6個碳原子連成環狀，每個碳原子再連上一個氫原子所組成的化合物）就和水完全不混溶，所以是疏水的。但是苯卻能夠通過色散力和其他非極性分子相互作用而溶于由非極性分子組成的液體中，比如苯就可以溶解在汽油中。所以我們也可以把苯稱為親脂的。親脂的分子之間也有電荷的相互作用，不過是通過色散力來彼此吸引的。

膜和囊泡在水中的形成

完全親脂的分子（比如汽油中的分子）是不可能在水中形成固定結構的，因為它們在水中根本“待不住”。完全親水的大分子，即“全身”到處帶電的分子，也不能在水中形成穩定的結構，因為它們的“身體”處處都受到水分子的包圍，再加上水分子的熱運動帶來的沖擊，沒有一種力量能使它們保持在一起，維持穩定的形狀。比如一種由葡萄糖單位線性相連組成的大分子叫做直鏈淀粉，它可以溶于熱水中，但是分子卻沒有固定的形狀。要在水中形成穩定的立體結構，一個辦法是分子上既有親水的部分，又有親脂的部分，即兩性分子（amphiphilic 或者 amphipathic molecules），其中親水的部分可以處在結構表面，和水直接打交道，使分子或分子團能在水中穩定存在；而親脂的部分由于受到水分子的排斥，被“趕”到一起，處于結構內部，彼此以色散力相吸引，并且從內部“拉住”分子的各個部分。這兩種作用相互配合，就有可能在水中形成相對穩定的結構。假設有一種兩性分子，它具有長長的親脂“尾巴”，又有一個親水的“頭部”，當把這種分子放到水中時，親脂的尾巴由于不能與水混溶，彼此聚集在一起，通過色散力彼此吸引，形成一個脂性的內部，親水的頭部排列在外面，與水親密接觸，就可以在水中形成比較穩定的結構。

根據親脂部分和親水頭部的相對大小，這樣形成的結構可以是球形的，也可以是膜狀的。例如脂肪酸就有一根由碳氫鏈組成的親脂的“尾巴”和由羧基組成親水的“頭部”。當把脂肪酸放到水中時，它就會形成兩種結構。一種是實心的小球，親脂的“尾巴”在內部，不與水接觸，尾巴之間通過色散力彼此結合；羧基端朝外，與水接觸。另一種是形成雙層膜，每層膜的親脂“尾巴”在膜內，彼此接觸，羧基的頭部在膜的兩面。但是這樣的膜有一個問題，就是在膜的邊緣，親脂部分仍舊可以和水接觸。如果膜能融合成小囊，邊緣就消失了，就可以形成由雙層膜包裹成的小囊泡，里面包裹有水，類似細胞膜（圖1-7）。當然這樣的膜還太簡單，目前地球上生物的細胞膜是由更復雜的兩性分子磷脂組成的，在第二章第七節中，我們還會詳細討論這個問題。

在太空中形成的有機物是否可以在水中自發形成膜狀結構，從而形成最初的細胞呢？為了回答這個問題，2001年，美國航空航天局（NASA）和加州大學桑塔·克魯茲分校（UC Santa Cruz）的科學家合作，模擬太空中的狀況來產生有機物。他們按照星際冰中物質的比例，混合了水、甲醇、氨、和一氧化碳，在類似星際空間的溫度（15K，即絕對溫度15度，相當于-258℃）下用紫外線照射這個混合物。當被照射過的混合物的溫度升到室溫時，有一些油狀物出現。把這些物質提取出來，再放到水中時，發現它們形成了囊泡，直徑10—50 微米，與細胞的大小相仿（圖1-8）。這個結果說明，在太空中形成的有機物中就有兩性分子，可以自發在水中形成囊泡結構，這就使得原始細胞的形成成為可能。