分子的隐秘结构
在1803年的英国，化学家道尔顿提出了一个大胆而具有革命性的想法：世界上所有的物质，其实都是由极其微小的粒子组成的。他把这些粒子称为“原子”（Atom），这个词来源于希腊语，意为“不可分割的”。在那个年代，人们对于物质的本质还停留在“连续”还是“离散”的哲学层面，而道尔顿则用科学的实验和理论将“原子”这个概念具体化。他提出：每种化学元素由自己特有的原子组成，不同元素的原子质量和性质彼此不同，而化学反应实际上就是原子的重新组合。
这些微小的原子像拼图小块一样，通过不同的方式“拼接”在一起，形成了分子。分子再进一步聚集、排列，从而组成了我们肉眼可以见到的各种物质。比如，水是由氢原子和氧原子组成的分子；空气中主要是氮原子和氧原子组成的分子。可以把原子想象成最基本的乐高积木，不同类型、不同颜色的积木块按照特定的方式拼接，就能够搭建成丰富多彩、千变万化的世界。同样地，只要改变原子组合的方式，物质的性质就会发生翻天覆地的变化——一滴水和一块铁，看似毫无关联，但在原子的层面，它们不过是不同的原子以不同的方式组合而成。
道尔顿的原子学说，为后来的分子结构、化学反应甚至整个现代化学的发展奠定了坚实的基础。从此，人类对物质世界的理解掀开了新的一页：我们知道看不见的微观粒子也有自己的规律，而通过研究这些规律，人类可以合成出自然界不存在的新物质，甚至理解和改变生命的化学本质。原子——这种看不见、摸不着的微粒，成为了整个自然科学最核心、最神秘的主角之一。
从符号到结构的认知
早期的化学家们在研究中需要频繁提到各种元素，比如碳、氢、氧、铁、金等等。每次都写出完整的名字实在太麻烦了，于是他们开始用符号来代替。但问题来了，每个化学家都有自己的一套符号系统，这就像现在每个人都说自己的方言，根本没法交流。
瑞典化学家贝采利乌斯提出了一个简单而实用的解决方案：用元素名称的第一个字母作为符号，如果两个元素的首字母相同，就再加上名称中的另一个字母。这套系统一直沿用至今，成为了国际通用的化学语言。碳用C表示，氢用H表示，氧用O表示，氮用N表示，硫用S表示。
通过这套符号系统，化学家们发现水分子由两个氢原子和一个氧原子组成，可以写作。为什么氢和氧在水中的质量比是1:8呢？这是因为一个氧原子的质量是一个氢原子的16倍，而水分子中有两个氢原子，所以比例就是2:16，也就是1:8。同样的道理，氨分子是，由一个氮原子和三个氢原子组成；硫酸分子是，由两个氢原子、一个硫原子和四个氧原子组成。
在中国，这种从传统经验到现代科学的转变也在发生着。几千年来，中医通过经验积累了大量有效的药方，但并不清楚其中的化学成分。直到现代化学技术引入后，科学家们才开始用分子式来描述这些传统药材中的有效成分。比如青蒿素的分子式是，这个发现让屠呦呦获得了诺贝尔奖，也让传统中医药在现代科学的语言中找到了表达方式。
同分异构体
早上喝一杯豆浆，其中含有的糖类主要是葡萄糖、果糖和半乳糖。这三种糖吃起来甜度不同，在身体里的作用也不一样，但如果你去数它们的原子数量，会发现一个惊人的事实：它们的分子式完全相同，都是，都包含6个碳原子、12个氢原子和6个氧原子。
这个现象在早期让化学家们十分困惑，因为在他们研究的简单无机化合物中，相同的分子式总是对应相同的物质。但在有机化合物的世界里，情况变得复杂了。这些分子式相同但性质不同的物质被称为"同分异构体"，这个名字也是贝采利乌斯提出的。
就像用同样数量的数字1、5、9可以组成951、519、159这些不同的数，分子的性质不仅取决于原子的种类和数量，更取决于这些原子如何排列组合。在简单的无机分子中，原子的排列方式通常只有一种，所以分子式就足以区分不同的物质。但在复杂的有机分子中，原子可以有多种不同的排列方式，每种排列都会产生不同的性质。
德国化学家凯库勒在1858年首次提出用线条连接原子符号来表示分子内部的结构。他发现，如果规定碳原子总是形成四个连接（化学键），氮原子形成三个，氧原子形成两个，氢原子形成一个，就可以画出分子的结构式。这个方法让化学家们终于能够“看见”那些看不见的微观世界。
从这个图表可以看出，虽然三种糖的分子式完全相同，但葡萄糖的代谢速率最快，这就是为什么运动员在比赛时补充葡萄糖能够快速恢复体能。果糖的代谢速度居中，而且甜度最高，所以水果吃起来特别甜。半乳糖的代谢速度最慢，主要存在于乳制品中，对婴幼儿的生长发育特别重要。
德国化学家埃米尔·费歇尔在1891年通过精巧的实验，最终确定了葡萄糖、果糖和半乳糖的精确结构。这些结构看起来差别很小，但正是这些微小的差异，造就了它们不同的性质。生命就是建立在这样精巧的分子结构之上的。
氨基酸
一碗热腾腾的豆腐脑，一个煮鸡蛋，一杯牛奶，这些日常食物都富含蛋白质。蛋白质是构成我们身体的最重要物质之一，从肌肉到皮肤，从头发到指甲，都离不开蛋白质。那么蛋白质又是由什么组成的呢？
科学家们发现，所有的蛋白质都是由一种叫做"氨基酸"的小分子搭建而成的。最简单的氨基酸叫做甘氨酸，它的结构式可以写作：
这个分子的左边是“氨基”（），因为结构类似于氨气分子；右边是“羧基”（），通常会让化合物显示出酸性。中间连接着一个碳原子，这个碳原子既不属于氨基，也不属于羧基。这种结构被称为“α-氨基酸”，希腊字母α表示“第一个”的意思。
有意思的是，构成蛋白质的所有氨基酸虽然性质各不相同，但结构上都遵循同一个模式：都是α-氨基酸。它们的区别仅仅在于中间那个碳原子上连接的“侧链”不同。就像所有的自行车都有车架、车轮、车把，但可以装上不同的车筐、车铃、坐垫一样，不同的侧链赋予了不同氨基酸独特的性质。
上述表格中展示了三种常见食物中必需氨基酸的含量。豆腐虽然是植物蛋白，但氨基酸含量相当丰富，这也是为什么中国人几千年来一直把豆制品作为重要的蛋白质来源。鸡蛋的氨基酸组成最为均衡，被认为是蛋白质质量的“黄金标准”。
埃米尔·费歇尔不仅研究糖类，也研究氨基酸。到1918年，他明确证明了氨基酸是如何连接成蛋白质的：一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基相连，形成“肽键”；第二个氨基酸的羧基再与第三个氨基酸的氨基相连，就这样一个接一个，像串珠子一样串成长链，形成蛋白质分子。这个连接方式在所有物种的蛋白质中都是一样的。
氨基酸还有一个非常有趣的特点。除了最简单的甘氨酸，其他氨基酸的原子都可以用两种不同但对称的方式排列，就像一个人的左手和右手，互为镜像。科学家把这两种形式分别称为“L型”和“D型”。
当化学家在实验室里合成氨基酸时，总是会得到L型和D型各占一半的混合物。但在生命体内，情况完全不同。德国化学家弗罗伊登贝格在1924年发现，生物体只合成和使用一种形式。
生命选择了L型氨基酸作为蛋白质的构建材料。从人类到细菌，从动物到植物，从多细胞生物到单细胞生物，所有的生命都使用L型氨基酸。这种惊人的统一性让我们不禁想到，也许地球上所有的生命都源自同一个祖先细胞，而那个祖先恰好选择了L型氨基酸，从此所有的后代都继承了这个选择。
其实，从化学的角度看，生命完全可以使用D型氨基酸来构建蛋白质，D型和L型在稳定性和化学性质上并没有本质区别。生命选择L型，很可能只是一个偶然的决定，但一旦选定，就再也无法改变了。D型氨基酸虽然在自然界中很少见，但在某些细菌和真菌中还是能找到少量存在。
生命的化学统一性
到1911年，科学家们逐渐认识到，生物体需要一些特殊的微量物质才能正常运转。波兰裔美国生理学家卡西米尔·冯克在研究糙米预防脚气病的实验中，首次提议将这些神秘的营养物质称为“维他命”（Vitamin），意为“生命必需的胺类物质”。不过，随着研究深入，人们发现并非所有此类物质都包含氮原子或胺基，于是中文便把它们统称为“维生素”。
自1911年冯克提出维生素的概念后，科学家们在短短几十年内发现并确定了十几种不同的维生素。不同的维生素在人体内各有其独特且不可替代的作用。下面的表格总结了几种主要维生素及其对人类健康的帮助：
现代生物化学发现，虽然这些维生素结构各异、功能不同，但它们都对人体的健康至关重要。许多维生素还存在于各种动物、植物，甚至微生物中，体现了生命在分子机制上的统一性和必要性。
然而，正如生物演化并非单调一致一样，生命的化学统一性之下，也蕴含着物种之间丰富的分化和创新。生命的大多数基本分子虽然高度相似，但在特定结构和功能上又优化出了无数差异，这些差异共同勾勒出“生化进化”的广阔画卷。
让我们以细胞色素为例。几乎所有有氧生命（除了极少数厌氧细菌）都拥有这类蛋白质。它们之所以被称作爱“细胞的颜色”，是因为其分子能够呈现出丰富的色彩，如红棕色、褐色等。细胞色素是呼吸链、光合作用等代谢通道的核心部件。它们不仅仅由氨基酸构成，还包含一个非常特殊的结构——“卟啉核”。“卟啉”一词源于希腊语，意为“紫色”，因为早期科学家们首先在紫色物质中发现了这种结构。
卟啉核的分子是一种平面环状结构，中心嵌有金属原子。最经典的例子是血红素分子——它的中心是一个铁原子，四周由碳、氢、氮、氧原子构成的基团精巧排布。血红素不仅存在于血红蛋白中，还作为细胞色素的核心，承担着电子转移的功能，将能量高效地传递到细胞各处。细胞色素和血红素共同编织了一张能量传递的分子网络，让所有需氧细胞获得了高效率的能量供应。
在绿色植物的细胞里，人类又找到了另一种奇妙的分子：叶绿素。叶绿素的最大本领，是能将太阳光的能量转化为化学能，从二氧化碳和水中合成高能量的碳水化合物和脂类。在地球上，这一化学过程为绝大多数生命提供了能量来源。叶绿素的名字来自希腊文“绿叶”，它不仅赋予植物翠绿的颜色，也是维系整个生态系统碳循环的分子基础。
更深一步的研究揭示，叶绿素的分子骨架同样是卟啉核，只是中心金属由铁变成了镁，周围的化学取代基也略有不同。血红素和叶绿素结构极为相似，一个负责运输和利用氧气，一个负责吸收和利用阳光。二者的这一微小差别，却承载了生命演化分道扬镳的命运。可以说，血红素和叶绿素就像是同一个祖先分子在分子演化树上的两个分支，分别适应了动物和植物两大生命阵营的需求。
在演化的历史长河中，科学家们推测，最初的细胞色素和血红素起源于单细胞生物的生命早期。后来，由于某种偶然的分子突变，卟啉核中铁被镁取代，变成了叶绿素。这个“出错”的分子，却意外地赋予细胞捕捉太阳能的能力。这个优势一旦出现，就让该类细胞迅速繁衍壮大，占据了地球的大部分生态位，最终开创了整个光合植物界。回望来路，人类和所有动物体内的血红素与植物叶绿素，仍然保持着分子结构上的“血缘”关系。这些结构的演变，是自然选择和分子创新交织的结果。
这一分子家族的成员不仅限于植物和动物。近年来研究发现，许多细菌也拥有类似卟啉结构的化合物，能参与诸如光合作用、能量转化、解毒等多种生化反应，这说明所有现代生命的祖先很可能都拥有过类似的“分子工具箱”。在地球的极端环境中，如深海热泉、盐湖甚至火山口周围，科学家们也能检测到各种基于卟啉核的特殊分子，它们似乎见证了生命化学多样性的巨大潜能。
动物也依然在不断“创新”。血液系统是多细胞动物逐步进化的结果。伴随着大型动物的出现，氧气运输需求大幅提升，动物们便在进化过程中利用“老朋友”——卟啉核，创造性地将其包装进血红蛋白分子内，使其成为最有效的氧气载体。这种巧妙利用“旧材料”的策略，是生命化学进化中屡试不爽的法宝。
在日常生活中，许多饮食习惯和文化传统其实都与这些分子的演化渊源有着密不可分的联系。例如，中国北方农村用菠菜炖汤补铁，是因为菠菜含有相当丰富的血红素类铁元素；而在沿海和湖区，藻类则因富含叶绿素而被大量养殖，无论是作为营养食品还是药用保健品。人类将这些古老分子的特性应用于食疗与养生，正是与自然界生化进化智慧的一种深度对话。
仔细思考，我们便会发现，无论是血液的红还是树叶的绿，背后都隐藏着同一个原始分子的影子。正如自然界中的狮子和老虎拥有共同的祖先，分属于不同领域的血红素和叶绿素，也极可能源自早期地球上一个极其古老的“超级分子家族”。卟啉核，这一“分子指纹”，见证了绿色植物、动物、甚至微生物乃至全部地球生命的漫长进化史，并且至今仍在无声地书写着生命的未来可能。
生化进化的轨迹
脊椎动物的各个类群之间还可以通过另一个化学特征来区分，那就是它们处理含氮废物的方式。蛋白质在体内使用后会分解，产生的氮原子必须排出体外，否则会在体内积累造成危害。
最简单的方法是把一个氮原子和三个氢原子结合成氨（）。这个小分子很容易穿过细胞膜进入血液，然后通过鳃或肾脏排到外界的海洋中。
我之所以说“海洋”，是因为只有生活在水中的生物才能用这种方式排除含氮废物。氨的毒性极强，浓度超过百万分之一，生物体就会陷入昏迷甚至死亡。把氨排到海洋里，立即就被稀释到微不足道的浓度。而且氨也不会在海洋中无限积累，因为有些微生物能把氨重新转化为蛋白质，这些蛋白质又会成为其他生物的食物，最终回到排氨生物自己的食物链中。这就是氮循环的一部分。所有生命都依赖这样的循环来维持，没有任何化学物质会真正“用尽”。从长远看，只有太阳能在不断消耗，但太阳还能供应几十亿年。
但这个排氨的方法对陆地生物行不通。陆地上的水资源不像海洋那样几乎无限，而是非常有限，必须节约使用。要及时把氨排出去而不让浓度升高，需要大量的水来冲刷，这会导致陆地生物很快脱水死亡。因此，陆地生物必须演化出一种毒性更低的含氮废物，这样就可以让它在体内积累到更高的浓度，用更少的水排出。
这种化合物就是尿素（），由两个氨分子的碎片和一个二氧化碳分子组合而成。血液中的尿素浓度可以达到千分之一而不会造成危害，这是氨的一千倍。也就是说，排出同样多的氮，尿素只需要千分之一的水。而且通过让尿液中的尿素浓度高于血液中的浓度，需要的水量还能进一步减少。这样一来，成为陆地动物就变得可行了。
鱼类排出的含氮废物是氨，蝌蚪也是。但是当蝌蚪长成青蛙后，它就开始排出尿素了。我们能看到蝌蚪变成青蛙时外形的变化：尾巴消失了，腿长出来了，鳃变成了肺。但我们看不见体内化学机制的转换，从排氨转变为排尿素，然而这个转变同样在发生，而且对于陆地生活来说，这个转变和鳃变成肺一样重要。
在中国的长江流域和山区溪流中，生活着一种古老的两栖动物——大鲵，俗称“娃娃鱼”。娃娃鱼的幼体在水中生活时排出氨，变态后虽然主要在水中活动，但已经能够在陆地上短时间生存，这时它就开始排出尿素。这个看不见的化学转变，正是几亿年前从水生到陆生进化过程的重演。
从这张图可以清楚地看到生化进化的轨迹。鱼类和两栖幼体排出氨，毒性和需水量都很高；两栖成体改为排出尿素，毒性和需水量大幅下降；爬行类和鸟类排出尿酸，需水量降到最低；哺乳类又回到排尿素，但配合了更复杂的肾脏系统。
从两栖类到爬行类还需要另一个变化。爬行类不在水中产卵，而是在陆地上产卵。陆地上的卵内水分比陆地上自由生活的生物体内的水分更加有限。生物体至少还能喝水或从外界吸收水分来补充，但蛋壳里的胚胎做不到这一点。
然而胚胎也必须排出含氮废物。在这种情况下，连尿素都不够用了。尿素的毒性虽然比氨低，但身体也不能无限承受。爬行动物的卵里发生的事情是：四个氨分子的碎片与三个二氧化碳分子和两个额外的碳原子结合，形成尿酸分子（）。
尿酸的溶解度很低，所以无论产生多少，都不会在蛋的水性内容物中溶解多少。它以固体小颗粒的形式沉积在蛋内的角落里，不会干扰化学机制的运作。而且，爬行动物在成年后也继续排出尿酸，所以它们根本没有液态的尿液。尿酸以半固体的形式排出，和粪便从同一个体腔开口排出。这个开口叫做"泄殖腔"，拉丁语意思是"下水道"。
鸟类从爬行类演化而来，产的也是同样的蛋，所以保留了尿酸机制，没有这个机制，在陆地上产卵根本不可能。它们也有泄殖腔。扬子鳄在长江流域的滩涂上产卵，尿酸机制让它的后代能在炎热的沙地中发育；朱鹮在树上筑巢产卵，同样依赖这个几亿年前演化出的化学创新。
原始的产卵哺乳动物（如鸭嘴兽）也保留了尿酸机制和泄殖腔。但是，胎生哺乳动物在母体内孕育后代，不涉及卵那样极度缺水的环境。胚胎可以利用母体的全部水资源，而母体可以通过饮水来补充。因此，哺乳动物的胚胎不需要积累尿酸（尿酸能避免则尽量避免，因为它容易在关节处沉积形成痛风），可以继续使用尿素。尿素被排入母体的血液，通过母体的肾脏排出，胚胎自己不用操心。
成年哺乳动物保留了尿素系统来排除含氮废物，需要相当多的液态尿液来完成这个任务。因此哺乳动物没有泄殖腔，而是有两个分开的开口：肛门排出固体废物（食物的不可消化残渣），尿道口排出液体尿液。大熊猫在秦岭山区啃食竹子，每天需要饮用大量的水来排出尿素，这和它主要以竹子为食产生大量代谢废物有关。
至于无脊椎动物，水生的排出氨，陆生的（如昆虫）排出尿酸。
看不见的证据
生化进化的研究远不如解剖学和生理学的进化研究那么成熟。灭绝的物种留下了丰富的化石证据，让我们能够了解它们的解剖结构，间接推测它们的生理功能，但却无法留下任何关于生物化学的证据。化石中的分子早已分解消失，我们永远无法知道一亿年前的恐龙体内到底是排出氨、尿素还是尿酸。
尽管如此，所有关于生化进化的推论，至今为止都与那些研究可见化石遗迹的生物学家们独立得出的结论相互印证。鱼类排氨，两栖类排尿素，爬行类排尿酸，哺乳类排尿素，这些生化特征的演化顺序，完美地对应着化石记录中显示的解剖学演化顺序。从鳍到腿，从鳃到肺，从体外受精到体内孕育，每一个肉眼可见的变化背后，都伴随着看不见的化学机制的转变。
1965年，中国科学家在世界上首次人工合成了具有生物活性的蛋白质——结晶牛胰岛素。这个成就不仅展示了中国在生物化学领域的实力，更重要的是证明了一点：生命的化学本质是可以被理解和操控的。蛋白质不是神秘的“生命力”的产物，而是按照明确的化学规则组装起来的分子。
从道尔顿提出原子论，到贝采利乌斯建立符号系统，从凯库勒画出结构式，到费歇尔阐明蛋白质的结构，从维生素的发现，到生化进化轨迹的勾勒，人类一步步地揭开了生命在分子层面的秘密。那些我们看不见的微观世界，通过化学的语言，逐渐清晰地呈现在我们面前。
生命的统一性和多样性在化学层面得到了完美的体现。所有生命共享着相同的基本化学语言：L型氨基酸、相同的遗传密码、共同的代谢途径。但在这个统一的框架内，又演化出了无数精巧的变化：从氨到尿素再到尿酸的氮代谢转变，从血红素到叶绿素的光化学创新。生化证据和化石证据相互印证，为进化论提供了多条通往真理的道路。这正是科学之美：不同的研究方法，不同的证据来源，最终指向同一个结论。
在看不见的分子世界里，隐藏着生命演化的完整历史。每一个化学键的形成，每一个原子的排列，都在讲述着生命从海洋到陆地、从简单到复杂的史诗般的旅程。