第五節　生命以細胞的形式出現

有了能夠自我復制的RNA分子，就有了生命的萌芽，但是要形成生命，還缺少一樣重要的東西，這就是“墻壁”。RNA復制自己的系統一旦形成，就需要有“墻壁”將其與外界環境分開，否則遇上下雨，或者浪頭打來，這團溶液就被打散稀釋，這個系統也就蕩然無存了。

“墻壁”就可以將含有RNA復制系統的水溶液包裹起來，形成小囊。小囊可以將大的分子如RNA保持在小囊內，不被環境稀釋，又能夠讓小的分子包括核苷酸，進入小囊，使RNA有復制自己的材料。由墻壁圍成的小囊叫作細胞，墻壁就是細胞膜，地球上的生命也因此是以細胞的形式出現的。

要想知道分子如何在水中形成“墻壁”，就需要知道分子之間如何相互作用，這就關系到共價鍵的性質了。

共價鍵是原子之間共享電子形成的（見本章第二節），但是電子在兩個原子之間的分配不一定均等。有些原子如氧原子和氮原子，吸引電子的能力比較強，在和別的原子如氫原子共享電子時，會多吃多占，讓電子偏向自己一邊。多得一些電子的氧原子或氮原子就帶一些負電，少得電子的氫原子就帶一些正電。這樣的共價鍵就叫作極性鍵，即鍵的兩端帶不同的電荷。極性鍵會使分子中形成帶負電的區域和帶正電的區域。

例如，水分子是由一個氧原子和兩個氫原子組成的，這三個原子又不排在一條直線上，而是兩個氫原子偏向一邊，這樣就在氧原子那側帶一些負電，在兩個氫原子這側帶一些正電，使水分子成為極性分子。一個水分子上的氧原子和其他水分子上的氫原子由于電荷不同而相互吸引，這樣就把水分子拉到一起。除了氧原子，氮原子和氫原子之間也可以形成類似的聯系。這些聯系都和帶部分正電的氫原子有關，所以叫作氫鍵。氫鍵不是共價鍵，因為參與氫鍵的兩個原子之間沒有電子共享，只是正負電荷的吸引，氫鍵的強度也弱于離子鍵，因為只是部分電荷之間的相互吸引，但是氫鍵在分子的相互作用中起非常重要的作用。

例如，水分子很小，只含有一個氧原子和兩個氫原子，但是由于水分子之間能夠形成氫鍵，彼此“抓”得很牢，不容易離開其他水分子而飛到空中去（即所謂的蒸發），所以水的沸點很高，要到100攝氏度才沸騰。前面說的嘌呤和嘧啶之間能夠配對結合，除了形狀匹配以外，還因為它們之間能夠形成氫鍵（圖1-8）。

與氧原子和氮原子不同，碳原子和氫原子之間形成共價鍵時，電子并不偏向任何一方，碳原子和氫原子都不帶電，這樣的共價鍵叫作非極性鍵，由碳原子和氫原子組成的分子也是非極性分子。非極性分子之間不能形成氫鍵，相互吸引力很弱，所以甲烷分子雖然和水分子差不多大，甲烷的沸點卻低到-161.5攝氏度，在室溫下是氣體。

極性分子遇到水，由于雙方都局部帶電，彼此之間可以形成氫鍵，所以極性分子很容易分散到水中，也就是溶解。在葡萄糖分子（C₆H₁₂O₆）中，有好幾個羥基（見圖1-5右上），氫原子是與氧原子相連的，帶一些正電，葡萄糖就很容易溶解在水中，像葡萄糖這樣的分子就是親水的。汽油是碳鏈上連上氫原子組成的碳氫化合物，其分子是典型的非極性分子（見圖1-5下中的己烷），因為不能和水分子之間形成氫鍵，要分散到水分子之間時還需要打破水分子之間的氫鍵，相當于要擠入彼此拉著手的人群，實際上很難做到，所以汽油不溶于水，是憎水的。

如果某種分子的一部分是極性的，另一部分是非極性的，這樣的分子就叫作雙性分子。雙性分子遇到水時，親水的部分會和水接觸，包在外面，憎水的部分被水“趕出來”，彼此聚在一起，躲在內部。這樣就會在水中形成小球，這就是結構的形成。

如果憎水的部分呈長條形，像火柴的桿，親水的部分在其一端，像火柴頭，這樣的“火柴”在放入水中時，火柴桿會躲開水，排列起來，形成膜狀物，火柴頭在膜的一面，與水接觸。為了避免膜的另一面（即沒有火柴頭的那一面）與水接觸，兩張膜可以通過腳對腳的方式貼在一起，形成雙層膜，這樣的膜內面是兩層火柴桿，膜的兩邊都是火柴頭，就可以把火柴桿和水隔開。

這樣的安排在很大程度上解決了分子的憎水部分與水接觸的問題，但是在膜的邊緣，火柴桿仍然能夠和水接觸。為了把火柴桿完全包裹起來，不讓它們與水接觸，膜可以卷起來，形成一個封閉的球面，這樣膜就沒有邊緣了，這正是細胞膜形成的原理。生物的細胞膜，就是封閉的雙層膜。

脂肪酸可能就是最初形成細胞膜的分子。它有一條長長的尾巴，相當于是火柴桿。這條尾巴由十幾個碳原子連成鏈，鏈上再連上氫原子。由于這條尾巴完全由碳原子和氫原子組成，所以是憎水的。脂肪酸的頭部是一個羧基（其中兩個氧原子都和碳原子直接相連），是親水的。“羧”是化學家造的字，由“氧”字中的“羊”和“酸”字的右半邊組成，意思是含氧的酸性基團（圖1-9）。

脂肪酸在隕石和宇宙塵埃上就可以形成，所以可以為早期的細胞提供細胞膜。除了脂肪酸，其他兩性分子也有可能參與細胞膜的建造。為了證明在宇宙中產生的物質真的能夠形成細胞膜，科學家混合了水、甲醇（CH₃OH）、氨和一氧化碳，在類似星際空間的溫度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。當把這些油狀物與水混合時，它們形成了囊泡，直徑10~50微米，與生物中細胞的大小相仿。這個結果說明，在太空中形成的物質中就有兩性分子，可以自動在水中形成囊泡結構，這就使原始的細胞得以生成（圖1-10）。

有了能夠自我復制的RNA分子，又有了包裹這個化學系統的膜，就有了最原始的細胞。隨著細胞長大，還可以通過機械力的作用如浪花的激蕩，分為多個小細胞，這就是最初的繁殖。

原始的細胞形成后，競爭也就開始，含有最能夠復制自己的RNA的細胞就會比其他細胞更有優勢，使自己的功能越來越強，包括幫助蛋白質的合成，而蛋白質的合成又進一步增強細胞的生活能力。這樣發展下去，就導致真正的生命在地球上產生，這就是原核生物。