沉静下面的喧嚣

形容一个女性美有许多词汇,其中就有沉静和含蓄。徐缓优雅的姿态,从容不迫的举止,是中国古代女性美的重要特征之一。
  也许你没有想到,在安静的美女的细胞里,却完全是另一番景象。里面的分子纷扰和喧嚣到难以置信的程度。要是美女能“看见”自己细胞内分子的激烈运动,她自己也许会吓一大跳。
  我们都知道,人的体温是37度。但这是摄氏37度,是在一个大气压下以水的冰点为零度和沸点为100度来定义的,所以只是一个相对值。要是说人的体温是310度,那就有点吓人了。但如果是从温度的绝对度量上来看,人的体温真的就是310度。
  现在我们知道,温度是微观粒子运动程度的量度,包括分子的移动,旋转,和振动。温度越高,分子运动越激烈。这些微观粒子可以是分子,也可以是比分子大的颗粒如病毒,也可以是比分子小的基本粒子。
  分子的热运动随着温度降低而降低。到热运动完全停止时,那时的温度就是绝对零度,与物质的种类无关,所以是一个客观的指标。用这个零度为标准的温标叫绝对温标,也叫克氏温标,是以Kelvin(William Thomson, 1st Baron Kelvin, 1824-1907,英国物理学家和数学家)名字命名的。
  相对于摄氏温标,绝对零度就是摄氏零下273.16度。这是我们这个宇宙里(也许还有其它的宇宙)能够到达的最低的温度。有人听见星球内部的温度可以高达几十万度,就用“零下一万度”来形容有多冷,其实是不懂得冷的意义。
  克氏温标的一度等同于摄氏温标的一度,那37度的摄氏体温换算成绝对温标就是310度。这才是分子运动程度的真正量度。
  310度的绝对温度是人的正常体温,对人总体来说好像没有什么,在分子水平可热闹了。因为分子很小,在这个温度下它们的运动激烈到难以想象的程度。
  比如在体温下,水分子的运动速度高达每秒694米,比波音飞机的速度还快3倍以上。复杂一些的分子质量也较大,而总的运动能量和小分子一样,运动速度自然较慢。像葡萄糖的分子(分子量180)比水分子(分子量18)大10倍,它的运动速度就是每秒236米。但即使分子量100万的蛋白分子,每秒钟也能跑2.6米。在直径10微米的人的肝细胞中,它一秒钟能跑13万个来回。头都想晕了也想象不出它实际跑动的情形。当然它不是真的这样来回跑,而是和细胞里的其它分子以极高的频率相互碰撞。
  就是病毒,假如它的“分子量”是100亿,也能每秒跑2.6厘米,也就是每秒能在细胞内跑1300个来回,如果不被其它分子所阻拦的话。
  所以在细胞内部的分子水平,这位美女里面的情形看上去完全是另外一番景象,纷扰到难以想象的地步。什么优雅,徐缓,沉静,统统都不见了。
  但正是这样的乱糟糟,才使得这位美女成为美女。才使她外表的沉静成为可能。也就是说,分子的这种激烈的运动正是生命存在的前提。没有分子这样快速的运动和碰撞,任何生命都不可能。
  比如说,大肠杆菌在适宜的条件下,每20分钟可以繁殖一代。在一个细胞分裂成两个细胞之前,它的DNA必须要复制一份。大肠杆菌的DNA有4,639,221个碱基对。也就是大约四百六十万碱基对。要在20分钟里复制这个DNA,每秒钟就要复制近4000个碱基对。就算DNA的复制是从一点开始,向两个方向同时进行的,那每秒钟也要复制近2000个碱基对。
  DNA是由四种不同的核苷酸线性相连组成的。要把不同的核苷酸按一定的顺序加上去,就需要正确的核苷酸靠碰撞到达合成新DNA的地点。但是细胞里并没有一个交通警察来指挥,每次只让所需的核苷酸通过,而是四种核苷酸都有同样的机会,随机地乱碰。这样每次只有四分之一的机会有合适的核苷酸到达。而且每次碰撞中,分子的方向也是随机的,只有少数具有正确的方向。再加上细胞里的其它分子也在那里乱撞,干扰正确的核苷酸到达反应位置。所以核苷酸必须以比每秒8000次高得多的频率去碰撞,才能满足大肠杆菌繁殖的需要。
  蛋白的合成就更难了。与核酸只有四种构造单位不同,蛋白质是由20种不同的氨基酸组成的。这20种氨基酸也是在那里随机乱碰,所以正确的碰撞机会只有二十分之一,而且许多还是无效碰撞。因此蛋白合成的速度也相应地较慢。在大肠杆菌中,每个核糖体(合成蛋白质的分子团)每秒钟只能加上18个氨基酸。要是分子运动再慢一些,生命活动就不能维持了。
  当然细胞也不是简单的一包水溶液。不同分子的相互作用也会形成各种比较稳定的结构,组成各种细胞器和细胞“骨骼”,把细胞分隔成许多区间。但细胞最主要,最基本的活动,即化学反应和信息传递,都需要反应物分子和信息分子的激烈运动。
  所以就是最低等的生物,也需要克氏280度以上才能有效地生活和生长。这不仅是因为生命活动需要液体水的环境(克氏273度),也是因为它们需要分子的运动到达相当激烈的程度才能满足细胞内生命活动的需要。
  人作为高等生物,更需要克氏310度的温度,才能维持各种复杂的生理活动的需要。因为温度高了,分子运动和化学反应的速率才能更快。比如人体一天需要大约2000大卡的能量才能维持身体的正常活动。我们身体内各种需要能量的活动大多数是由“能量通货”,三磷酸腺苷(Adenosine Triphosphate,简称ATP)来提供能量的。成人一天要分解大约60公斤,即相当于我们体重的ATP,才能满足身体的各项生理活动的需要。而人体内ATP的总量也就50克左右,也就是每个ATP分子每天要被分解和再合成1000次以上。 没有克式310度的体温,就产生不了这么多的ATP。
  神奇的是,细胞内成千上万种分子能在这样的激烈运动和相互作用中,准确地完成细胞的各种功能,并且对环境的变化做出精确的反应。
  从一个受精卵发育成一个完整的人,中间要经过无数次的细胞分裂和分化,每次都需要分子这样激烈的运动。但正是这种看似杂乱无序,纷扰喧嚣的分子运动中,靠不同分子自身的特点,又完成了分子之间正确的相互作用,使得这个过程能够精密地进行。几乎每个受精卵都能发育成完美的人体结构,就连不同手指的相对长度都控制得那么精确。从分子运动的激烈和无序来看,这真是一个奇迹,是地球上的生命所产生的奇迹。这是从混乱无序中产生高度有序的最好的例子。