
在厨房里,你会看到各种各样的食材。大米、面粉这些白色粉末摸起来很干燥;花生油、菜籽油这些液体有着油腻的质感;而鸡蛋、豆腐、肉类则有着完全不同的性质。如果你把这些食材加热,会发现它们的表现截然不同。大米和面粉会变焦发黑,油会冒烟甚至起火,而鸡蛋会凝固变硬。
这些日常观察背后,隐藏着生命化学最基本的秘密。在十九世纪初,科学家们开始系统地研究这些物质,试图理解它们的本质差异。当时的化学家发现,自然界的物质可以分为两大类。一类是像盐、水、铁这样的物质,它们广泛存在于土壤、海洋和空气中,即使经过高温加热也不会发生根本性的变化。另一类则是那些只在生物体内或生物残骸中才能找到的物质,它们相对脆弱,一经加热就会冒烟、炭化、燃烧,甚至爆炸。
1807年,瑞典化学家贝采里乌斯给这两类物质起了名字。他把前者称为“无机物”,意思是与生命无关的物质;把后者称为“有机物”,意思是由生命产生的物质。这个命名看似简单,却引发了一场持续数十年的科学争论。
贝采里乌斯不仅给这两类物质命名,还提出了一个深刻影响后世的观点。他认为,有机物和无机物之间存在着一道不可逾越的鸿沟。这个观点很像中国传统医学中“气”的概念——认为生命体内存在某种特殊的力量,这种力量是生命的本质,无法用物理和化学方法来解释或复制。
贝采里乌斯的理由看起来很充分。化学家们已经能够让一种无机物转变成另一种无机物,比如把锌放入酸中产生氢气。他们也能让一种有机物转变成另一种有机物,比如让糖发酵变成酒精。甚至可以把有机物转变成无机物,比如燃烧酒精得到二氧化碳和水。但关键的问题是,从来没有人能够在实验室里,不借助任何生物的帮助,单纯用化学方法把无机物转变成有机物。
在贝采里乌斯看来,这不是因为技术不够,而是因为这件事本质上不可能。制造有机物需要生物体内的“生命力”,而化学家的试管里永远不会拥有这种神秘的力量。这个理论被称为“活力论”,在当时得到了广泛的认同。就像人们曾经相信地质变化需要神秘的大灾变一样,化学家们也相信有机物的合成需要神秘的生命力。
1827年的一天,德国化学家维勒在实验室里进行着一个看似普通的实验。他在轻轻加热一种叫做氰酸铵的化合物,这是一种公认的无机化学物质。当加热进行到某个程度时,维勒发现这种物质转变成了另一种化学物质。他仔细检查这种新物质的性质,突然意识到眼前的东西是尿素。
这个发现让维勒感到震惊。尿素毫无疑问是有机物,它在一百年前就被发现存在于尿液中,是尿液蒸发干燥后留下的主要固体物质。它是生物体的代谢废物,按照贝采里乌斯的理论,只能由活着的生物体制造出来,绝不可能在普通的化学实验室里从无机物合成。
但维勒确实做到了,而且方法简单得令人难以置信。他反复重复实验,确认自己没有弄错——确实是从氰酸铵开始,确实得到了尿素。1828年,他发表了这个结果,在科学界引起了轰动。
维勒的尿素合成实验标志着生物化学的诞生。它证明了有机物和无机物之间并不存在不可逾越的界限,生命过程遵循着与普通化学反应相同的基本规律。
这就像在一道坚固的堤坝上凿开了第一个缺口,随后洪水般的发现接踵而来。其他化学家开始纷纷尝试合成各种有机物,并且取得了成功。贝采里乌斯本人最终也不得不改变自己的观点。到了十九世纪中叶,化学家们已经完全接受这样一个事实:有机化合物虽然比无机化合物更复杂,也更难处理和理解,但它们遵循着完全相同的化学规律。
今天,我们仍然使用“有机化学”和“无机化学”这两个术语,但只是为了方便。现代的有机化学被重新定义为研究含碳化合物的化学,无论这些化合物是否曾经由生物产生。事实上,化学家已经在实验室里合成了数十万种含碳化合物,其中有些确实复制了自然界的物质,但大多数是自然界从未存在过的全新物质。
而专门研究生物体内化学物质及其变化的学科,则被称为“生物化学”。这个名字更准确地反映了这个领域的研究对象——生命的化学本质。

了解有机物和无机物没有本质区别后,科学家们开始深入研究生物体内的各种物质。其实人类对食物中不同类型物质的认识,早在史前时代就已经开始了。为了储存食物、防止腐败,为了更好地烹饪和食用,我们的祖先必须了解不同食材的特性。
比如做馒头和面条时用到的面粉,主要成分是一种叫做淀粉的物质,它是干燥的白色粉末,尝起来没什么味道,不溶于水。而水果、蜂蜜中含有糖,尝起来甜甜的,提取出来的糖是白色晶体,容易溶于水。虽然淀粉和糖看起来很不一样,但现代化学家发现它们之间有着密切的联系。
1812年前后,法国化学家盖吕萨克开始精确分析糖和淀粉的化学组成。他采用的是拉瓦锡创立的定量分析方法——不只是观察物质的外观和性质,而是精确称量和测量每一种元素的含量。盖吕萨克发现,糖和淀粉都只含有三种元素:碳、氢和氧。更有意思的是,两者的元素比例几乎相同:大约45%是碳,6%是氢,49%是氧。
仔细观察这些数字,会发现一个有趣的规律。氢和氧的重量比是1:8,这恰好是水分子中氢氧的比例。因此,糖和淀粉看起来就像是碳和水的组合。虽然实际的分子结构比这复杂得多,但"碳水化合物"这个名字还是沿用至今。盖吕萨克还发现,木材的主要成分也有相似的元素组成,它也属于碳水化合物。木材的主要物质现在被称为纤维素,因为它形成植物细胞之间坚硬的"细胞壁"。
那么淀粉、糖和纤维素之间到底是什么关系呢?1812年,德国化学家基希霍夫做了一个重要的实验。他把淀粉和稀酸一起加热,淀粉溶解了。从溶液中,他分离出一种固体,这不再是淀粉,而是一种糖,和葡萄汁中的糖一模一样。这种糖后来被命名为葡萄糖。
基希霍夫发现,无论用哪种常见的淀粉——来自大米、小麦、玉米还是土豆,用酸处理后都会得到同样的糖:葡萄糖。1819年,法国化学家布拉孔诺又发现,用酸处理纤维素,也能得到糖——同样是葡萄糖。
这个发现非常重要。它表明看起来完全不同的碳水化合物,实际上是由同一种基本单元构成的。这就像用同样的乐符可以谱写出无穷无尽的乐曲一样,自然界用葡萄糖这个基本单元,构建出了各种各样的碳水化合物。
1856年,法国生理学家克洛德·贝尔纳发现,吃饱的动物肝脏中含有相当多的一种类似淀粉的物质。这种物质本身没有味道,但用酸处理后会变甜,所以他称之为“糖原”,意思是“产生糖的物质”。它为什么会变甜?因为酸把它分解成了糖——还是葡萄糖。
事实上,葡萄糖本身也广泛存在于生物体内。1844年,科学家们发现人类血液中含有葡萄糖,而且所有动物的血液中都有,所以葡萄糖又被称为“血糖”。
看起来千差万别的碳水化合物,其实都是用同一套“零件”拼装出来的。各种淀粉的区别只在于葡萄糖单元连接成的链条长短不同,链条是直的还是分叉的,分叉多还是少,分叉长还是短。糖原作为动物体内的储能物质,和植物的淀粉相比,只是分叉更多、更长、更复杂。至于纤维素,它的葡萄糖单元连接方式与淀粉略有不同,这个细微差别造就了植物坚硬的细胞壁。
当然,除了葡萄糖,还有其他一些简单的糖。比如蔗糖的分子是由一个葡萄糖单元和一个果糖单元组成的;牛奶中的乳糖分子则是由一个葡萄糖单元和一个半乳糖单元组成的。但果糖、半乳糖和其他在生物体内零散出现的简单糖,它们的性质都很相似。它们都是白色晶体,都能溶于水,都有甜味,与某些化学物质反应时行为也很相似。

碳水化合物不是食物中唯一的营养成分。还有一大类物质同样重要,那就是脂肪和油。在家庭的厨房里,花生油、菜籽油、大豆油、猪油是常见的食用油脂。这些东西摸起来有油腻感,滴在纸上会留下半透明的油渍,有的是液体,有的是半固体,颜色通常偏黄,比淀粉和糖更容易燃烧,而且不溶于水。
1811年前后,化学家们开始分析脂肪和油的元素组成。结果发现,它们和碳水化合物一样,也只含有三种元素:碳、氢、氧。但元素比例很不一样。脂肪中大约77%是碳,12%是氢,11%是氧。与碳水化合物相比,脂肪富含碳和氢,氧的含量则低得多。仅凭这一点,就足以判断这是两类截然不同的化合物。在现代生物化学中,脂肪、油及其相关物质统称为“脂类”。
那么脂类是怎么构成的呢?1811年,法国化学家舍夫勒尔发现,用酸处理脂肪,会得到一些新的、相对简单的化合物,这些化合物具有弱酸的化学性质,所以他称之为“脂肪酸”。他区分出两种主要的脂肪酸,一种现在叫硬脂酸,因为它在固体脂肪中含量较多;另一种叫油酸,因为橄榄油中这种成分特别丰富。后来的研究又发现了其他几种脂肪酸,比如棕榈酸和亚油酸,它们都很相似。
所有的脂肪和油,无论来自哪种生物,分解后释放出的都是这少数几种脂肪酸。而且在所有情况下,这些脂肪酸都是通过与一种叫做甘油的物质结合在一起的。简单来说,脂肪 = 脂肪酸 + 甘油,这个公式对所有生物都适用。
到达尔文的时代,科学家们已经可以得出这样的结论:不仅所有生物的原生质都由碳水化合物、脂类和蛋白质这三大类物质构成,而且这三大类物质又都是由相对少数的基本构建单元组成的。这些构建单元是所有物种共有的。
蛋白质是自然界中含量最丰富、功能最多样的一类有机大分子。它们不仅参与生命体的构建,还决定了生命体的活力与多样性。在生命体内,蛋白质承担着结构支撑(如皮肤、毛发和骨骼的主要成分是蛋白质)、催化反应(作为酶,几乎所有生物化学反应都离不开蛋白酶的调控)、物质运输(如血红蛋白运输氧气)、免疫防御(如抗体识别和消灭入侵微生物)、信息传递(如胰岛素、激素调节代谢活动)等多种重要的生理和生命活动。无论是鸡蛋清的凝胶,牛奶的白色,血液的红色,肉类的鲜美,还是植物根茎叶的成长与修复,都与蛋白质的多样结构和功能密切相关。可以说,从微小的病毒到巨大的鲸鱼,每一个生命体的细胞都离不开蛋白质的支持。
蛋白质和碳水化合物、脂类的本质差异在于其元素组成和结构复杂性的提升。蛋白质不仅含有碳、氢和氧三种基本元素,还“必定”含有氮元素,而且某些蛋白质还包含硫(存在于如半胱氨酸、蛋氨酸等特定氨基酸中),少数蛋白质中还可能结合磷、铁、锌等特殊元素。这些元素的多样性,使蛋白质具有更为复杂、精细的分子结构和生理功能。氮元素的引入意味氨基酸是生命体制造自身组织、修复损伤、复制遗传信息等不可或缺的营养基础,因此蛋白质也一直被认为是“第一重要”的营养素。
从化学结构来讲,蛋白质是由若干氨基酸单元按照特定顺序通过“肽键”连接而成的。氨基酸本身如同“字母”,肽链如同“单词”,蛋白质则像是“句子”乃至“文章”,可以表达出生命的无数可能。在遗传信息控制下,二十种基本氨基酸按照数目和排列方式的不同,组合成上百万种不同的蛋白质。蛋白质的三维空间结构错综复杂,有的像螺旋、有的如折纸,有的呈球状或片状,这些空间结构决定了蛋白质特殊的生化活性和功能多样性。比如,胶原蛋白呈现为三股螺旋,为皮肤和骨骼提供坚韧弹性;肌动蛋白和肌球蛋白协同收缩运动;抗体的“Y”字结构可精准锁定病原体。

蛋白质具有许多显著而独特的理化性质。遇热后容易“变性”——例如加热鸡蛋,蛋白质分子空间结构崩塌、链段纠缠,导致透明蛋清变为不可逆的白色固体。这种特性被广泛利用于烹饪、食品加工,也在人体内部调节多种代谢反应。例如高热、强酸、强碱、高盐,都可以导致蛋白质变性失活。蛋白质还具有选择性结合其他分子的能力,因此能够完成信号感知、结合底物、分解有害物等多样复杂的任务。
蛋白质的基本结构单位是“氨基酸”。人体和各种动物、植物的蛋白质,虽然最终功能千差万别,但都是由20种氨基酸以不同顺序拼接而成。每一类蛋白质的特殊功能,就依赖于这些氨基酸的种类、数量和排列方式决定。
人体无法合成一部分氨基酸,需从食物中摄取,这些叫“必需氨基酸”。蛋、奶、肉、鱼等动物性食物,含有全部必需氨基酸,是“完全蛋白”;豆类含有较多但通常略缺一两种,因此饮食需要多样搭配以保证摄入充足。蛋白质缺乏会导致生长发育障碍、免疫力下降、皮肤黯淡、伤口愈合变慢等一系列健康问题。在生物进化过程中,蛋白质的“模块化拼接”原则,使得生命拥有源源不断的“创新材料”,强化了生物多样性和适应性。
蛋白质的重要性,是生命化学研究的核心主题之一。科学家通过深入研究蛋白质的组成与功能,不仅揭示了生命活动的分子机制,也推动了医学、营养学、生物工程等诸多领域的进步,进一步让我们理解生命之谜的本质。
现在我们可以理解,为什么在达尔文的时代,科学家们会说“从化学角度看,生命是一个整体”。无论是水稻还是细菌,是牡蛎还是蛇,是人还是树,所有生物的原生质在化学组成上都是相似的。它们都主要由三大类物质构成:碳水化合物、脂类和蛋白质。
单凭这一点,可能还不足以说明生命的统一性。毕竟,土豆淀粉和大米淀粉不完全相同,小麦淀粉又是另一种,香蕉淀粉还不一样。各种淀粉都不同于各种糖,而纤维素又和它们都不同。植物界富含纤维素和蔗糖,动物界却完全没有这两样。另一方面,乳糖只存在于哺乳动物的乳汁中,在动物界的其他地方找不到,在植物界更是不存在。
但深入研究后发现,“碳水化合物”这个概念远不止表面上碳氢氧元素的比例那么简单。关键在于,这些看似千差万别的碳水化合物,实际上都由极少数非常相似的构建单元组成,其中一种占主导地位——那就是葡萄糖。
假如你用积木搭建不同的模型。虽然最后的成品看起来完全不同——有的是房子,有的是汽车,有的是城堡——但它们都是用同一套积木块拼装出来的。生命也是如此。自然界用葡萄糖这个基本单元,构建出了千变万化的碳水化合物。
脂类的情况也一样。所有的脂肪和油,无论来自哪个物种,分解后都主要得到同样几种脂肪酸,而且这些脂肪酸总是与甘油结合在一起。蛋白质虽然最复杂,但也遵循同样的规律——所有蛋白质都由同一批氨基酸构建而成。
这个发现解释了一个基本的生命现象:为什么一种生命可以以另一种生命为食?我们吃下大米淀粉、花生油、牛肉蛋白,经过消化,它们就变成了人体所需的糖原、人体脂肪、人体蛋白质。这个转化过程并没有什么神秘的炼金术。
消化的本质就是把外来的食物物质分解成基本的构建单元——那些人类与所有生物共有的构建单元。被吸收的不是完整的土豆淀粉或牛肉蛋白,而是葡萄糖、脂肪酸、氨基酸这些简单的构建单元。然后,人体用这些构建单元重新拼装,按照人体自己的需要组合成新的碳水化合物、脂类和蛋白质。
就像你可以把别人搭建的乐高模型拆开,用同样的积木块搭建出属于自己的模型一样,人体把食物分解成基本的“积木块”,再用这些"积木块"搭建出人体需要的物质。这个过程之所以可行,正是因为所有生命在化学层面上使用的是同一套“积木块”。
这个认识对于理解生物进化至关重要。既然所有生物在化学层面上本质相同,那么从化学角度看,就没有理由怀疑一个物种可以通过自然选择演变成另一个物种。生命的化学统一性,为达尔文的进化论提供了坚实的化学基础。
到二十世纪初,生物化学已经建立起基本的框架。科学家们认识到,尽管生命千变万化,但在分子层面上,所有生命都在使用同一套化学语言,都在遵循同样的化学规则。这个认识标志着我们理解生命本质的重要一步——生命不是神秘莫测的,而是可以用化学的语言来理解和描述的。