生命的化学基础

从厨房到实验室的发现

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。

生命力的迷思

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。

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意外的突破

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。

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。

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碳水化合物

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。

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脂肪的构成

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。

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蛋白质的奥秘

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。

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。

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生命的化学统一性

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。