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科学松鼠会

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什么是科学松鼠会? 我们认为,对于部分人来说,科学就像一枚枚难以开启的坚果,虽味美却不易入口。 我们希望自己能够像松鼠一样,打开科学的坚硬外壳,将有营养的果仁剥出来,让人们能够领略到科学的美妙。 我们试图让科学传播并且流行起来。

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二十世纪最“反直觉”的伟大生物学发现:化学渗透(三)  

2012-11-05 14:44:54|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:一起剥坚果

作者:曼斯·雷德

本文发表于豆瓣“科学松鼠会读者花园小组”。

作者关于自己的星星细语:私人教育机构讲师,计算机专业硕士。曾用笔名“小麦”发表几篇科幻小说。

在以前本小组的讨论中,我曾提到“比如你如果不理解所有生物共有的膜渗透能量供应化学原理,你就根本无从评价任何生命起源的理论。

在一篇题为“为什么还有这么多人相信进化论?(http://www.douban.com/group/topic/27216605/)”的帖子中,蒙hongdou网友发信询问,所以这篇文章既是一篇泛泛的科普,也是对这个问题的具体介绍。

前文回顾:《二十世纪最“反直觉”的伟大生物学发现:化学渗透(二)

三.彼得·米切尔:泵,水坝和泄洪道

化学渗透的发现者:彼得·米切尔从里到外都散发着离经叛道的天才气息。这个家伙家财万贯(他的叔父拥有一个建筑业集团公司),在英国二战后的困顿年月开着劳斯莱斯招摇过市。后来当他因为化学渗透的论战几乎被踢出学界时,干脆自己出钱建了一个研究所继续战斗。他在二战中由于身体原因没有服役,而当时英国能量生物学的权威克林(细胞色素酶的发现者)私下对别人说:“英国最好的科学头脑躲过了子弹”。要知道,当时米切尔才二十多岁,研究方向不是细胞能量学,而只是涉及细菌的生物学,跟克林的方向(也就是研究有氧呼吸原理)差得很远。而且他读博士读了七年才拿到学位,因为他的论文审查人多次认为他的论文都是胡说八道。同样是克林向别人解释:“米切尔的独创性对这些学者来说太多了。”米切尔伶牙俐齿,态度粗暴,披着一头效仿青年贝多芬的长发,弹得一手好钢琴,而且和贝多芬一样很早就聋掉一只耳朵,让他跟人争吵的音量变得特别的大。一般古板的学者很难喜欢这样一个人。克林在早期的慧眼只能解释为天才识天才。

在能量生物学界因为种种化学上的不可调和而苦恼时,米切尔却从一个意想不到的方向:经典细胞生理学,接近了这个问题。

他早期的研究课题是细菌,特别是细菌的主动运输,即穿过细菌的细胞膜,营养物质和废物在受控状态下进出。我们知道在孤立的情况下,物质的渗透总是从高浓度向低浓度的方向进行,而细菌的细胞膜是脂质的半透膜,水溶性物质被阻挡,但膜上有各种特化的蛋白质通道,选择特定的物质允许进出,其严格的对应性好比特定的生物酶对应特定的催化对象。半透膜的特性加上细菌消耗能量的主动运输(当时是如何消耗能量的还完全不知道),使得细菌可以逆着浓度运输物质,比如把营养物质从低浓度的外界环境运进高浓度的内部。对于细菌主动运输的研究,使得米切尔对生物膜导致的化学物质浓度聚集有了特别的敏感性。把细菌的主动运输过程倒过来看,如果逆浓度运输耗能,那么逆浓度运输造成的浓度聚集本身就是一种势能,好比你把石头推上坡花了力气,坡上的石头也就有了势能,随时可以滚下来释放能量。这就是米切尔的突破点。

1961年米切尔在爱丁堡发表的论文,充满自己生造的词汇,类似玄学的逻辑讨论和无证据的猜测。首先,他运用福尔摩斯式的逻辑:“当排除了其他所有可能的答案,那么剩下的可能性,不管看起来有多么不可能,都是正确的答案。”。X媒介分子的寻找,化学上每一块石头都翻起来看过了,既然还没有找到,那么答案是什么?X分子不存在。那么化学上的两套反应是如何接触的呢?能量是怎么从细胞色素氧化工厂传递到ATPase呢?米切尔说,那不是分子遇上分子的化学,那是化学渗透(chemiosmosis)。这是一个他生造的词,含有两个词根:chem(化学)和osmosis(渗透),其实这个过程的实质既不化学,也不渗透。它的含义如下:

葡萄糖在细胞色素酶工厂中逐步氧化。这些蛋白综合体微型工厂,都镶嵌在线粒体内膜上,实质上是一些通向膜外的蛋白质孔道。它们没有合成什么高能的中介分子,作用不过是像一些泵,把细胞内的氢离子(H+,也就是质子)泵到膜外去了。这个过程需要耗费氧化葡萄糖放出的能量,因为我们下面就会看到,线粒体内膜的外部聚集着高浓度的质子。这是一个逆浓度运输。

由于这些质子泵的工作,大量质子被泵出去,又被限制在线粒体内膜和外膜之间的狭窄区域里,于是形成了一层薄薄的H+聚集区。H+的浓度,化学上有个很简单的量度,就是PH值,即酸性。因此内外膜之间的区域就形成了一个质子“水库”,具有酸性和正电荷。

线粒体内膜就像是水坝。它也是脂质膜,对于水溶性的质子来说是不通透的,因此外部质子浓度虽高,但不能自然渗透进来。记住我们前面的结论:逆浓度运输造成的浓度聚集本身就是一种势能。

ATPase就是泄洪道。它也是镶嵌在线粒体内膜上的蛋白质综合体,也是内外相通,但受控的蛋白质孔道。它利用的不是什么神秘的X分子,而是质子的回流。质子浓度势能的释放放出能量,这些能量就被用来生产ATP。

对于那些毕生浸淫在经典生物化学,不太熟悉生物膜动力的能量生物学家来说,这简直是玄而又玄的天书,没有比这更奇怪的场景了。不去使用一个简单的中介分子完成化学链路,而是转了这么多的弯,使用这么诡异的机理。再加上米切尔生造了大量的词汇来描述他的理论(比如米切尔把“质子水库”的酸度和电势能合起来叫做proton motive-force,“质子动力”,认为这是一种基本驱动力。听起来真像某种民科发明的词汇),整个文章写得既玄秘又武断。而且,他没有什么实验证据来支撑他的学说,基本上全是假设、推理,或者干脆忽略那些暂时解释不了的障碍。所有这些原因,使得米切尔的论文在1961年的能量生物学界受到的待遇,差到不能再差:有些人读完第一页就扔一边。有些人认为“他终于疯了”,有些人开口就骂,认为他不尊重整个学界前人的辛苦工作。或者“不做实验,不是化学家,偏要谈化学问题。”当时的两个权威:美国的Racker和瑞典的Slater,都是很优秀的学者,一开始还不像其他人那样对待他,试图去发现米切尔到底要说什么。但Racker在讨论中完全被米切尔的外星词汇搅昏,最终放弃了讨论。而Slater和米切尔的争辩火爆升级,在一个研讨会上,Slater被米切尔尖酸刻薄的口才气得“在走廊上乱跳,白色的胡子上下飞舞”。

米切尔成了英国科学界的笑料,1963年因为“脾气大造成的胃溃疡”退出了爱丁堡大学(其实是学校当局劝退他免得丢人),回到他的乡间别墅去养病。他花了两年时间舔伤口,顺便把乡间别墅翻修成了“音乐怪人”的巢穴,找到了一个相信他,而且有很强生物化学实验能力的女助手Moyle,在1965年卷土重来,成立了自己的研究所,一定要和整个能量生物学界斗到底。

文字编辑:Ent

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