線粒體生成能量的方式是生物學(xué)上最詭異的機(jī)理之一。它的發(fā)現(xiàn)可與達(dá)爾文和愛因斯坦的相媲美。線粒體將質(zhì)子泵出一層細(xì)胞膜，在幾納米的空間內(nèi)形成如同閃電般強(qiáng)大的電勢(shì)差。這一質(zhì)子電勢(shì)由生命的基本粒子——膜上蘑菇一樣的蛋白質(zhì)所利用——以ATP的形式產(chǎn)生能量。這一根本原理在生命中的基礎(chǔ)作用可以與DNA相媲美，它給了我們得以洞悉地球上生命起源的機(jī)會(huì)。
能量與生命如影隨形。如果你停止呼吸，你就不能生成維持生存的能量，并在幾分鐘之內(nèi)死亡。請(qǐng)保持呼吸。現(xiàn)在你呼吸進(jìn)的氧氣被轉(zhuǎn)移到你身體中15萬億細(xì)胞中的每一個(gè)，在那里它們被用來在細(xì)胞呼吸過程中“燃燒”葡萄糖。你是一部無與倫比的能量機(jī)器。按克計(jì)算的話，即使舒服的坐著，你每秒轉(zhuǎn)換的能量也是太陽的10000倍。
這聽上去不大可能，為了婉轉(zhuǎn)一點(diǎn)來闡述這個(gè)問題，讓我們用數(shù)字來說明吧。太陽的光度大約是4X10 26瓦特，它的質(zhì)量是2X10 30千克。按照它的預(yù)期壽命，大概是100億年，每克太陽物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生大概6千萬千焦耳的能量。能量的生成不是爆炸性的，而是緩慢而穩(wěn)定的，從而保證了均一的長(zhǎng)期的能量輸出。在任何時(shí)刻，太陽巨大的質(zhì)量中僅有一小部分會(huì)進(jìn)行核聚變，這些反應(yīng)僅僅在致密的核里進(jìn)行。這就是為什么太陽能燃燒如此之久的原因。如果你用太陽的光度除以它的質(zhì)量，每克太陽物質(zhì)大概能產(chǎn)生0.0002毫瓦的能量，也就是每秒鐘每克0.0000002焦耳（0.2μJ/g/sec）的能量。現(xiàn)在讓我們假設(shè)你大概重70公斤，如果你想我一樣大概每天吃12600千焦（大概3000卡路里）的食物。假設(shè)僅僅30%的能量轉(zhuǎn)換效率，這一數(shù)量的能量轉(zhuǎn)換（轉(zhuǎn)換成熱量或者功，或者脂肪層）等于每秒鐘每克2毫焦（2mJ/g/sec）或者每克2毫瓦——這一數(shù)值比太陽大10000倍。一些能量旺盛的細(xì)菌，例如固氮菌，能產(chǎn)生多達(dá)每秒每克10焦耳的能量，超出太陽5千萬倍。
在細(xì)胞的微觀水平，所有生命都是活躍的，即使是明顯的固定的植物、細(xì)菌和真菌。細(xì)胞像機(jī)器一樣沿著路徑，將能量引導(dǎo)到特定的任務(wù)中，無論是移動(dòng)、復(fù)制、制造細(xì)胞材料，或者將分子泵進(jìn)或者泵出細(xì)胞。像機(jī)器一樣，細(xì)胞充滿了移動(dòng)部件，它們需要能量來移動(dòng)它們。任何不能自己生成能量的生命形式都很難和無生命物質(zhì)區(qū)分開來，至少在哲學(xué)意義上來說是這樣。病毒僅僅“看上去”是活的，因?yàn)樗鼈円砸环N看上去暗示了造物主之手的形式來自我組織，但是它們占據(jù)的是生命與非生命中間的灰色地帶。它們擁有所有用于復(fù)制自我的信息，但是直到它們感染一個(gè)細(xì)胞之前都是沒用的，因?yàn)樗鼈儍H僅能夠利用被感染細(xì)胞的能量和細(xì)胞裝置來復(fù)制自我。這意味著病毒不可能是地球上第一個(gè)有生命的東西，也不會(huì)是它們將生命從外太空帶到我們的星球：它們完全依賴于其他生命組織，沒有這些生命組織它們就不能存活。它們的簡(jiǎn)單性并不意味著初始，而是精煉，削減的復(fù)雜性。
盡管它對(duì)生命顯而易見的重要性，生命能量受到的關(guān)注遠(yuǎn)比它應(yīng)得的少。根據(jù)分子生物學(xué)家的觀點(diǎn)，生命全部是關(guān)于信息的。信息在基因中編碼，并拼出了構(gòu)建蛋白、細(xì)胞和軀體的指令。DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，基因的物質(zhì)基礎(chǔ)，是我們信息時(shí)代的一個(gè)象征符號(hào)，它的結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)者，沃森和克里克，都是家喻戶曉的名字。能獲得這一地位的原因是個(gè)人特質(zhì)、適用性和象征性的一個(gè)結(jié)合。克里克和沃森都是聰明且奪目的，像沉著的戲法般揭示了DNA的結(jié)構(gòu)。沃森的著作《雙螺旋》敘述了其發(fā)現(xiàn)過程，定義了整個(gè)時(shí)代，并改變了大眾看待科學(xué)的方式；從那時(shí)起，他就一直是一個(gè)直率的熱情的基因研究倡導(dǎo)者。實(shí)際上，對(duì)基因進(jìn)行測(cè)序使我們可以拿我們自己與其他生命進(jìn)行比較，窺視我們的過去，以及生命的故事。人類基因組工程為了揭示人體秘密而開展，基因療法為那些患有嚴(yán)重基因疾病的人們帶來了希望之光。但是最重要的是，基因是一個(gè)強(qiáng)有力的象征。我們可能爭(zhēng)論先天與后天孰輕孰重，反抗基因的力量；我們可能擔(dān)心轉(zhuǎn)基因作物，以及克隆或者設(shè)計(jì)嬰兒的罪惡；但是無論對(duì)錯(cuò)，我們?nèi)绱藫?dān)心是因?yàn)椋覀冊(cè)谏钌畹男牡妆灸艿闹溃蚴侵匾摹?/p>
可能是因?yàn)榉肿由飳W(xué)對(duì)于現(xiàn)代生物學(xué)如此重要，就像我們承認(rèn)工業(yè)革命是現(xiàn)代信息時(shí)代的必要前驅(qū)步驟一樣，我們也同樣在口頭上承認(rèn)生命的能量也是信息的前驅(qū)步驟。電力對(duì)于電腦來的運(yùn)行來說是如此顯而易見的重要，以至于這一點(diǎn)如此老生常談而不值一提。電腦的重要性在于他們處理數(shù)據(jù)的能量，并不是因?yàn)樗麄兪请娮拥摹Ｎ覀兛赡軆H僅在電池耗盡并且找不到插座的時(shí)候才會(huì)意識(shí)到電力供應(yīng)的重要性。同樣的，能量對(duì)于供應(yīng)細(xì)胞所需也是很重要的，但很顯然是從屬于控制并利用它的信息系統(tǒng)的。沒有能量生命將死亡，但沒有信息來控制的能量可能像火山、地震或者爆炸一樣災(zāi)難性。它真的是這樣嗎？從太陽發(fā)出的賦予生命的光線洪流暗示，不受控制的能量流并不總是災(zāi)難性的。
與我們對(duì)我們基因的擔(dān)心相對(duì)的，我懷疑有多少人費(fèi)心想過生命能量的兇險(xiǎn)之處。它的術(shù)語是蘇聯(lián)曾經(jīng)稱呼反啟蒙主義者的，就像巫師的長(zhǎng)袍一樣充滿神秘的象征。即使樂于接受的生化專業(yè)學(xué)生也對(duì)像“化學(xué)滲透“和“質(zhì)子動(dòng)勢(shì)”這樣的術(shù)語抱有警惕。盡管這些思想的蘊(yùn)涵其實(shí)可能最終被證明就和基因的一樣重要，它們也很少為人所知。生命能量的英雄，彼得.米切爾在1978年獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，但卻肯定不是一個(gè)家喻戶曉的名字，即使他本應(yīng)該和沃森與克里克一樣出名。和沃森與克里克不同，米切爾是一個(gè)古怪且隱遁的天才，他在康沃爾一個(gè)老舊的鄉(xiāng)下住宅建立了自己的實(shí)驗(yàn)室，并依據(jù)自己的設(shè)計(jì)翻新了這所住宅。曾經(jīng)，他的研究經(jīng)費(fèi)部分來自于一群奶牛，他甚至因?yàn)樗龅哪逃偷馁|(zhì)量而得獎(jiǎng)。他的著作不能喝沃森的《雙螺旋》相比，在通常的枯燥的學(xué)術(shù)文章以外（甚至比米切爾自己的更加晦澀難懂），在兩本“灰色小書”里面解釋了他的理論，自己印發(fā)并在一小部分感興趣的教授中擴(kuò)散。他的理論不能像雙螺旋一樣濃縮在一個(gè)形象醒目的符號(hào)中，在社會(huì)中也不能獲得嘉獎(jiǎng)。盡管如此，米切爾在清晰的闡述并證明一個(gè)生物學(xué)上最偉大見解方面功不可沒，這是一個(gè)真正的詭異的變革，顛覆了長(zhǎng)久以來的思想。就像杰出的分子生物學(xué)家萊斯利.奧格爾所評(píng)價(jià)的：“自從達(dá)爾文以來，生命科學(xué)就沒有過這樣一個(gè)違反直覺的理論，它能和愛因斯坦、海森堡或者薛定諤的理論相提并論，但是他的同時(shí)代的人可能會(huì)問過“你是認(rèn)真的嗎，米切爾博士？””
這本書的第二部分大部分是關(guān)于米切爾發(fā)現(xiàn)的生命產(chǎn)生其能量的方式的，以及他的理論對(duì)于生命起源的隱藏含義。在后面幾章，這些思想會(huì)使我們看到線粒體為我們做了什么：為什么它們對(duì)于所有高等形式的生命都是必須的。我們將會(huì)看到，能量生成的精確機(jī)制是至關(guān)重要的：它約束了誕生生命的幾率，它確實(shí)在原核和真核細(xì)胞中做的不一樣。我們將會(huì)看到能量生成的精確機(jī)制將細(xì)菌排除在進(jìn)化到超出細(xì)菌的水平之外——即變成復(fù)雜的多細(xì)胞生命——而同時(shí)，它使真核生命不受大小和復(fù)雜度的限制，推動(dòng)它們走上了獲得復(fù)雜性的躍升之路，一直到我們現(xiàn)在所看到的周圍的一切奇跡。但是能量的這同一機(jī)制，也同樣限制了真核生物，但是是完全不同的方式。我們會(huì)看到，性，即使是兩性的起源，也是由這同樣來自能量生成的限制所解釋的。在這之上，我們將會(huì)看到，我們最終不可避免的走向衰老與死亡，同樣根源于遠(yuǎn)在20億年前我們就與我們的線粒體簽訂的合同細(xì)則中。
為了理解所有這些，我們首先需要抓住米切爾對(duì)于生命的能量的遠(yuǎn)見卓識(shí)中的重點(diǎn)。他的觀點(diǎn)概括的講很簡(jiǎn)單，但是為了感受它們的完整力量，我們需要深入看看它們的細(xì)節(jié)。為了這樣做，我們將會(huì)進(jìn)行一個(gè)歷史展望，隨著展望的進(jìn)行我們會(huì)給這些困境加點(diǎn)料，也給那些在生化的黃金時(shí)代與這些困境相搏斗的偉大思想者加點(diǎn)料，這些伴隨著數(shù)個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)的誕生。我們將會(huì)跟隨發(fā)現(xiàn)的閃光大道，這些將會(huì)顯示細(xì)胞是如何生成如此多的能量以至于使太陽都黯然無光。
