3　細胞是什么樣的？

關于細胞我們討論得已經夠多了，后面我們還會進一步談到它。想要了解人體、人體免疫系統以及從流感到癌癥等各種疾病，我們必須對細胞這一人體的基本組成單位有些了解。好在學習細胞是很有趣的。這章之后我們會真正開始講免疫系統。

那么細胞究竟是什么，它又是怎樣發揮功能的呢？

前面我們說過，細胞是生命的最小單元，當然也就可以看作是有生命的。“生命”的定義本身很寬泛、很復雜也很燒腦。看到生命，我們很容易識別出來，但定義它就很難。通常來說，我們認為生命應該具備這樣幾種屬性：它活著時，能夠獨立于周圍環境；有新陳代謝過程，即從環境中吸收營養并從內部排出廢物；對刺激有反應；能夠成長、繁殖。這些，細胞都能做到。人體幾乎都是細胞，肌肉、器官、皮膚、頭發等都由細胞構成，血液里也充滿了各種細胞。細胞很微小，它們沒有意識，沒有感情，沒有目標，沒有自由意志，也沒有主動決策。簡而言之，細胞就像生物機器人，完全受更小的細胞構成部件所引導的生化反應驅動。

細胞的“器官”叫“細胞器”。比如細胞核，它是細胞的信息中心，是相對大型的結構，有自己的戍邊屏障，核內居住著遺傳物質DNA。還比如線粒體，它是細胞的能量工廠，能將養分和氧氣轉化為維持細胞運轉的化學能。細胞內還有專門的轉運網絡、打包中心、消化和回收部門以及組裝中心。書里常常把細胞畫成一個空袋子，里面裝著上述細胞器，這是在傳遞錯誤的印象；其實細胞內部擁擠喧鬧，復雜繁忙——不妨看一眼你現在所處的房間。[1]

請想象這個房間堆得滿滿的。里面有數百萬顆的沙粒和大米，幾千只蘋果和桃子，還有幾十個大西瓜。細胞里面大概就像這樣。這在現實中意味著什么？

一個人體細胞內，有幾千萬個分子。其中一半是水分子，相當于上述房間中的沙子；以分子尺度看，水不再是液體，而變得像蜂蜜一樣黏稠，[2]它們使細胞內部有了一定黏稠度，好像軟果膠一樣，其他分子可以在里面自由移動。

另一半主要是千百萬的蛋白質。細胞功能和任務不同，含有的蛋白質也不同，種類有1千到1萬種，相當于我們房間中的大米和小水果。而西瓜就是我們在教材示意圖里看到的細胞器。因此細胞主要是蛋白質構成和填充的。

我們得簡單介紹一下蛋白質，因為它對理解免疫系統、細胞及其所處的微觀世界來說至關重要，重要到都可以把細胞叫蛋白質機器人。你大概聽說過蛋白質，但可能主要和食物有關——要是你正在健身，想要增肌，說不定正在吃高蛋白飲食。這是對的，因為除脂肪外，身體大部分固體都是肌肉（就連骨骼也是蛋白質和鈣的混合）。不過蛋白質不僅僅是肌肉的必要部分，它更是所有地球生物最基本的有機構件和工具。它們種類豐富，用途廣泛，從信號傳遞，到合成細胞壁及簡單結構，再到形成復雜細胞器，細胞的所有活動都離不開它們。

蛋白質是由氨基酸鏈形成的。氨基酸這種微型有機構件有20種，把它們以無論什么順序連成一串，就能得到蛋白質。這一原理能讓生命構建出超級多不同種類的蛋白質。舉例來說，從20種氨基酸中選10種組成氨基酸鏈，形成簡單的蛋白質，就有10.24萬億種組合。

可以想象一下老虎機。只有3條圖案框的老虎機出現相同圖案的概率就已經很小了，那有20種圖案、10條圖案框的蛋白質老虎機，可是能提供多少種組合啊。典型的蛋白質通常包含50到2000個氨基酸（相當于有50到2000條圖案框的老虎機），最長的有3000個氨基酸。也就是說理論上細胞可能合成的蛋白質種類會超過103900數量級。

當然，其中大部分組合都是無效的。據估計，合成有效蛋白質的概率只有百萬分之一到十億分之一。不過因為可能的組合太多，十億分之一也很多了！那細胞是怎么知道要按怎樣的順序組裝氨基酸，合成所需蛋白質的呢？

這離不開所謂的生命密碼：脫氧核糖核酸（DNA），它含有對生命來說至關重要的長串信息序列。這是在說，DNA中約有1%的序列會指導蛋白質的合成，這些序列就是“基因”。其余DNA調控合成蛋白質的時機、種類、方式和數量。也就是說，蛋白質對生物來說很重要，所謂的生命編碼基本上就是構建蛋白質的指導手冊。這個過程是怎樣實現的呢？因為這對于后面要講的病毒來說很有意義，所以我們簡單說一下：細胞通過兩步把DNA上的指導信息轉錄進蛋白質。

第一步，特殊的蛋白質讀取DNA串上的信息，將其轉錄進“信使核糖核酸”（mRNA）這種特殊分子中。基本上，DNA就是用這種語言來傳達指令的。第二步，mRNA分子被從細胞核運出，運到另一種細胞器，即蛋白質組裝工廠“核糖體”那里。在這里，mRNA分子上的信息被讀取并翻譯，形成按指令組裝的氨基酸鏈。好啦，細胞就這樣基于DNA制造出了蛋白質。所以，DNA基本就是一束編碼（其中有些片段叫“基因”），是細胞工廠的蛋白質構建與調控手冊。這一切都會體現為“你之為你”的個人特征：身高、瞳色、直發還是卷發、對某些病癥的易感性，等等。DNA并不是直接命令人“長出卷發”，而是命令細胞“合成相應的蛋白質”。簡單來說，所有的個人特征都是以這種方式展現出來的。

人體內有大量的遺傳編碼。單一個細胞中的DNA，展開連在一起就有2米長。沒錯，每個細胞中的DNA展開長度，都很可能超過你的身高。要是把你身體里的所有DNA都連成一長串，它就足夠從地球到冥王星連一個來回。這么多編碼僅僅就是為了生成氨基酸鏈！[3]

氨基酸鏈生成后，會變形折疊，從二維的線條變成三維的立體結構。它們就這么自行折疊，方式非常復雜，我們現在還沒有完全弄清楚。基于氨基酸的種類和排列順序，氨基酸鏈會折疊成不同的特殊形狀。

蛋白質的形狀會決定它的功能。形狀就是一切。某種意義上，你可以把蛋白質想象成特別復雜的三維立體拼圖。基于形狀的不同，有些蛋白質可以執行功能，有些則被用作建筑原料。細胞幾乎可以用蛋白質合成出所需的一切。不過蛋白質的魔力遠不止于此。它們還是傳遞信息的信使，可以收發信號，借此改變自身的形狀，并觸發極度復雜的連鎖反應。蛋白質是細胞的一切。回想一下前面裝著大米和水果的房間的例子。蛋白質其實都不像球體，而更像由齒輪、開關、多米諾骨牌和軌道等構成的無敵復雜組合。

細胞只要活著，就會一刻不停地動來動去。齒輪轉動，碰倒多米諾骨牌，后者推動開關，帶動連桿，讓軌道上的彈珠滾起來，彈珠再讓更多齒輪轉動，不斷進行下去。用個比喻來說就是，細胞這臺機器人的靈魂，就是蛋白質及其背后的指導性生化反應。

細胞中，一些最常見的蛋白質數量充足，會有多達50萬個拷貝。另一些特殊的蛋白質，總數量則不到它們的1/10。不過這些蛋白質可不是四處漂蕩，各行其是。這些微小的蛋白質拼圖塊會和細胞內的結構以復雜、繁多而又酷炫的方式相互作用。它們是怎么做到的呢？靠快速地移動。蛋白質如此微小、幾無重量，它們的世界和我們的有本質區別，因此其運動方式在人類看來也會非常奇特。重力對它們這個尺度的東西不起太大作用，于是理論上，在室溫下，一個蛋白質平均每秒能移動5米。這聽起來不快，不過別忘了，蛋白質也只有指尖的百萬分之一那么大。在人類的世界里，如果你能跑得像蛋白質這么快，你就會快似一架噴氣式飛機，撞到障礙物就會不幸死去。

但實際上，蛋白質在細胞內動得沒有這么快，因為細胞中還有許多其他分子擋路。蛋白質會不停地撞到四周的水分子和其他蛋白質，并被反彈。它推擠別人，同時也受到推擠。這種過程叫“布朗運動”，指的是氣體或液體中的分子所做的隨機運動。正因為如此，水對于細胞才格外重要——有了水，其他分子才能容易地移動。盡管細胞內的分子會做隨機運動，造成一片混亂，而蛋白質拼圖塊的速度又那么快，細胞仍然能行使正常的功能——說不定正是因為這樣的局面，細胞才能正常工作。[4]

蛋白質

蛋白質是人體細胞最常見的建筑材料。它也可以傳遞信息。基本上，細胞可以用蛋白質合成任何東西。

讓我們簡化一下這個過程。為了理解細胞合成物質的基本原理，我們可以用三明治來打個比方。要在細胞內做三明治，最好的辦法就是把面包片和果膠都拋到空中，再稍等幾秒。細胞內的一切物質都會快速地撞擊，所以它們會自動合在一起，組成三明治，你只用等它從天上掉下來就好了。[5]

在微觀世界里，分子的形狀決定了它們是互相吸引還是互相排斥。因此細胞內蛋白質的形狀也決定了蛋白質會互相吸引還是排斥，以及它們之間會發生怎樣的相互作用（作用的頻率則由不同種類蛋白質的數量決定）。地球上所有細胞的生化反應都是由這些相互作用組成的。它們對生物機制來說非常重要，叫“生物學通路”。“通路”是個形象的說法，用來描述細胞內各成分之間能引發變化的一系列相互作用，比如組裝出新的特殊蛋白質或分子，這些新產物又可以開啟或關閉基因的表達，進而改變細胞的功能；也可以是觸發細胞的反應，使其產生某種“行為”，如面對危險時逃之夭夭。

前面幾頁我們講了不少內容，細胞卻還沒有講完。不過就快了！

我們來快速總結一下：細胞里有很多蛋白質。蛋白質就像三維拼圖的小塊。其特殊的形狀決定了蛋白質能否互相結合或以某種方式相互作用。一系列的此類相互作用促成了細胞的行為，這些作用就叫“通路”。這就是我們為什么說細胞是生化反應指揮下的蛋白質機器人。蛋白質沒有頭腦，沒有生命，它們之間復雜的相互作用創造出了可以做出反應且有生命的細胞，而細胞之間復雜的相互作用又創造出了相當智慧的免疫系統。

就像免疫學的大多數話題一樣，這里我們也無意中涉足了一個宏大的主題。它錯綜復雜，神秘莫測。這就是：為什么許多沒有頭腦的東西集合起來，就能創造出比這些部分的簡單加和更有智慧的東西？講免疫的書往往沒有講這個問題，不過我覺得它值得討論一下再接著往下講。因為它為免疫系統和細胞又增添了一層神奇，而我們在等流感好轉或傷口愈合的時候從來沒好好想過這些問題。

但又因為討論這類問題很快就會變得很抽象，所以我們又需要一個比方，這次我們稍微來聊聊螞蟻。螞蟻和細胞有一些共性，最重要的就是它們都很笨。我不是要說螞蟻的壞話。把一只螞蟻單獨放在一邊，它就只會沒頭沒腦地亂轉，什么也干不了。但如果有一群螞蟻，它們就可以交換信息，彼此互動，一齊做出了不起的成就。蟻群可以搭建復雜的巢穴，里面有專門的育卵室、垃圾站和控制氣流的復雜通風系統。螞蟻們會自發地組織起來，形成不同的小組和分工，有的負責找食，有的負責守衛，有的負責養育后代。這種分工不只是隨機的，而是按對蟻群的生存最有利的比例來分配的。如果有哪一組螞蟻遭遇了不測，比如被饑餓的食蟻獸路過吃掉，那剩下的螞蟻中就會有一部分改換工種以作填補，恢復恰當的分工比例。所有這些都是一只只呆呆笨笨的螞蟻合作完成的。一旦形成蟻群，它們就變得不再渺小，能完成個體做不到的事，足堪稱奇。自然界中這種現象很常見，叫“涌現”（emergence），指的是實體擁有它的組成部分所沒有的屬性和能力。單只螞蟻做不到的復雜事情，蟻群這個實體可以做到。

人體內部的情況也大體如此。細胞只不過是一袋袋由生化反應控制的蛋白質。但這些蛋白質集合起來構成的生命，卻能完成相當精密的工作。同樣，盡管細胞本身仍然是沒頭腦的小機器人，單獨一個細胞還沒有螞蟻聰明，但許多細胞集合在一起，能做到單個細胞做不到的事，比如形成專門的組織和器官，從讓心臟跳動起來的心肌，到讓人能思考、閱讀的腦細胞等等。也是許多笨笨的部件、細胞湊在一起，經過復雜的相互作用，創造出了極富智慧的免疫系統。

好，我們下面要講免疫系統了。但希望從上面的逸筆中，你已經了解到：細胞本身就是復雜的生命機器；構成和填充細胞的，主要是一批拼圖塊，它們由大量不同的蛋白質形成，并完全受生化反應的支配；這一切湊在一起，不知怎么就創造出了生命，能感知環境，并與環境互動。細胞沒有感情，沒有目標，但工作盡職盡力，值得我們的感激和多一點的關注。在接下來的章節中，我們會時不時地把細胞這些小機器當作人來看待。

我們會談到細胞的需求、目標、想法和夢想。這能賦予它們一點性格，也方便我們講解，盡管這并不真實。細胞是很神奇，但你也要記住：它們什么都不想要。細胞全無感情，既不悲傷也不開心。它們就只是存在于當下，和石頭、椅子或是中子星一樣沒有意識。細胞遵從著演變了幾十億年的編碼——你此刻要是能舒服地坐著看這本書，就說明這套編碼很了不起。不過把細胞想象成小人兒也許會讓我們更尊重、更理解它們，也會讓這本書讀起來更有趣，這應該是個好借口。

現在你可能會自問：要是人體的血肉大陸上生息的都是這樣一群內部復雜、個體蠢笨但卻擁有集體智慧的細胞小人兒的話——那它們究竟是怎樣守衛身體的呢？

是這樣的……

---

[1]要是看書的時候你在室外，那這個比喻就不好了——就請你假裝你在室內吧。

[2]你可能會好奇為什么會這樣。這個問題其實很有趣，我們可以花大把時間來討論，但這樣可能會引出許多其他麻煩。所以我們只說，大小很重要。對人來說，水是均一的液體；對蛋白質來說，一個水分子就很大了，真的會撞上來，可不是容易游過去的。

[3]有些讀者可能已經算了起來，然后得出了更瘋狂的數字。40萬億乘以2米，結果是80萬億米，這是冥王星到地球往返距離的至少5倍。不過在對身體的簡介中，我們有一個小點還沒提：人體大部分細胞是不含DNA的。紅細胞占細胞總數量的80%，但它沒有細胞核，因為它們滿載著鐵元素，好能運送氧氣。所以DNA連在一起只夠從地球到冥王星一個來回。

[4]這并不是說人類細胞完全依賴隨機性。細胞內部存在復雜且精妙的機制，能確保物質恰恰出現在需要的地方，這里我們先不展開。如果你實在好奇，那我可以簡單說說：轉運蛋白可以在細胞內的“腳手架”（內膜）上移動，實現物質轉運。它們看起來就像滑稽的大腳，像有魔法似的向前跳躍，如果有時間，你可以在YouTube上看看相關視頻。

[5]現實中更像是把幾千片面包和幾千罐果膠同時拋到空中。一個三明治沒什么用，因為各種材料都需要很大量，細胞才能好好運行。