宇宙自然生命簡史 56：細胞如此擁擠，卻又如此井井有條

首先是一個更正，上期節目我說卵子比精子大 25 萬倍，抱歉，我弄錯了直徑和半徑，導致計算結果錯誤。應該是 3 萬倍，而不是 25 萬倍，特此更正。感謝為我糾錯的孫耀輝朋友。我們今天繼續來講細胞。

細胞被比喻為很多種東西，從「一個複雜的化學工廠」到「一個擁擠的大都市」。但是，類比都是科普的寫作手法，永遠不能真實完整地反應事務的全貌。這些比喻也不例外，它只能幫助我們建立一定的概念，當然好過完全沒有概念。說它像一個工廠，是因為裡面確實進行著大規模的化學活動；說它像一個都市，是因為裡面擁擠不堪，忙忙碌碌，充滿著各種互動，看似混亂和隨機，實則自成體系。但是，細胞卻比你看到過的任何一個工廠和大都市都要更加奇特。

首先，在細胞內部，根本沒有什麼上下之分（重力對細胞大小的東西幾乎不起作用），它的每一處原子大小的空間都被充分地利用。活動無處不在，電流四處流動。你可能感覺不到可怕的電流，但你確實帶著電。我們吃入的食物和吸入的氧氣都會在細胞中激發電流。之所以我們不會互相電到，也不會一屁股把沙發給燒焦了，只是因為這一切發生的規模極小。電壓只有 0.1 伏，傳輸的距離只能用納米來計算。我們平常用的電池的電壓一般是 1.5 伏，巧的電池和細胞的英文單詞都是 Cell。然而，如果把細胞等比例放大的話，那就相當於每米的電壓高達 200 萬伏，與一場雷暴的核心區域所帶的電荷差不多。

你身上的細胞，不管大小和形狀如何的不同，它們的基本組成都是一樣的。它們都有一層外殼或細胞膜，有一個細胞核，裡面包含著維持生命所必需的基因信息。在細胞膜和細胞核之間，有一片繁忙的空間，稱為細胞質。細胞膜與我們大多數人想像的並不一樣，它並不像一種要用針才能刺穿的耐久的膠狀物質。相反，它們是由一種叫做脂質的脂肪物質構成的，用美國外科醫生兼作家紐蘭（Sherwin B. Nuland）的話說，更像是一種「輕度機油」。如果你覺得這聽上去不太結實，請記住，在那麼微小的尺寸上，事物的表現行為是非常不同的。對於任何分子大小的東西來說，水就像是重型凝膠，而脂質則硬得像鋼鐵。

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假如你能走進細胞的內部，你未必會喜歡那裡。現在讓我們想像一下，把原子放大到一顆豌豆大小，那麼相應地整個細胞就會成為一個直徑 800 米的球體，相當於 40 個鳥巢體育場的大小，它被一種叫做細胞骨架（cytoskeleton）的大梁一樣的複雜結構支撐著。在這裡面，成萬億個物體，有的像籃球大小，有的像小汽車大小，全都像子彈一般呼嘯而過。每一秒鐘，你都會被來自四面八方的物體碰撞、撕扯上千次，根本找不到一個立足之地。即便對於本來就在裡面長期居住的成員來說，細胞也是一個危機四伏的地方。每一條DNA平均每 8.4 秒就要被攻擊或者破壞一次，一天就是上萬次。攻擊者是各種化學物質或別的一些東西，一不小心 DNA 就會被撕成碎片。所有傷口必須被迅速地縫合起來，否則細胞就會死亡。

插播一句，我在核實「每一條 DNA 平均每 8.4 秒就會被攻擊一次」這個比喻的準確性時，發現《紐約時報》的一篇書評對這一段描寫大加讚賞[1]，稱讚這個描寫很具有表現力。但《紐約時報》同時也指出，《萬物簡史》中作者經常提到，構成蛋白質的是 22 種天然氨基酸。而事實上，植物中發現了超過 200 種其他的氨基酸。作者提到的 22 種氨基酸僅僅是組成生物有機體蛋白質分子的那些氨基酸。我後面提到氨基酸時，也是這個意思，這裡提前打好預防針。

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蛋白質非常活躍，它們不停地旋轉、飄動和飛舞著。大部分酶本身也是一種蛋白質，它們四處橫行，一秒鐘可以做完1000件任務，就像是被加快了速度的工蟻。它們忙於建造和重建分子，為這個減去一小塊，為那個增加一小塊。有一些酶監控著路過的蛋白質，為那些遭到致命損壞或有缺陷的蛋白質標上化學記號。這些蛋白質會重新形成一種叫蛋白酶的結構，然後它們被分解，有效成分會再次結合生成新的蛋白質。有些蛋白質存活的時間還不到半小時，有些則能存活幾周。但不論哪種，它們的生存方式都瘋狂得讓人不太敢相信。迪德夫說，「在分子世界裡發生的一切，都快得令人難以置信，完全超出我們的想像，而且這些活動都是必要的。」

如果能讓這一切都慢下來，慢到足以讓我們能夠觀察的速度，事情也就不會看上去那麼令人不安了。你將會看到，在一個細胞中，幾百萬個大小形狀不一的物體，比如溶酶體、內吞體、配位體、核糖體等等，與另外幾百萬個物體相互碰撞，執行各種單調的任務：從營養物質中釋放出能量，組合成某種結構，排出廢棄物，抵禦入侵者，收發信息，修修補補等。一個典型的細胞大約包含 2 萬種不同類型的蛋白質，每一種蛋白質又至少包含 5 萬個分子。細胞那麼小，蛋白質更是微乎其微，可它們卻在我們的身體中扮演著許多關鍵的角色。

蛋白質在細胞中完成大部分的工作，這些複雜的工作是人體組織和器官運行和調節所必需的。據估計，人體有能力產生 200 萬種不同類型的蛋白質[2]，由 20000-25000 個基因編碼而成。生物有機體中的蛋白質總數超過了 1000 萬。雖然規模驚人，但人類對此的研究仍然還處在非常初級的階段。紐蘭解釋說，「這意味著，每一個細胞中的蛋白質分子數都不會少於 1 億個。這一令人震驚的數字，可以讓你對我們體內生物化學活動各種物質蜂擁而上的巨大規模有一個概念。」

?所有這些活動都需要巨大的能量。為了給細胞提供新鮮的氧氣，你的心臟就得不停地泵出血液。一個成人平均每分鐘的靜態心律，也就是不活動時的心率，大約是 70 跳。心臟每跳動一下，就會泵出 60-90 毫升的血液，大概也就是不到一杯酸奶的量。但是你千萬不能小看了心臟，累積起來，數量是驚人的，你的心臟一天會泵出大約 7600 升的血液，一年約為 270 萬升[3]，這差不多能填滿一個奧運會標準泳池了。這還只是人在普通狀態下的量，運動時的泵血量會提高到靜態時的 6 倍。

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氧氣會被細胞中的線粒體利用，線粒體是細胞中的發電站，平均來說，一個細胞中包含著 1000 多個線粒體。當然，細胞的功能和所需的能量不同，線粒體的數量也會有很大的差異，比如紅細胞中不存在線粒體，而肝細胞中的線粒體數量則在 2000 個左右[4]。你可能還記得，我之前的節目提到過線粒體，它們被認為最初來自被俘獲的細菌，現在是細胞中的寄居者。它們保有著自己獨有的基因信息，按自己的時間表分裂，使用自己的基因語言。我們的健康拜它們所賜。原因就在於，進入你身體中的幾乎所有食物和氧氣，經過一番處理，最終都會被輸入進線粒體中，在那裡被轉化成三磷酸腺苷分子，這就是 ATP。

你可能沒有聽說過 ATP，但正是它讓你的身體保持正常運轉。ATP 分子實質上就是一節小小的電池，它在細胞內移動，為細胞的所有活動提供能量。在任何時刻，你的身體中都會有 10 億個 ATP 分子，每 1-2 分鐘[5]，這些 ATP 分子的能量都會放光，又會有另外 10 億個 ATP 分子取代它們。你的身體在一天之中產生和利用過的 ATP 分子總數加起來，相當於你身體一半的重量。感覺一下你皮膚的溫熱，那就是 ATP 正在工作呢。

當細胞不再被需要時，它們以堪稱高貴的方式死去。它們拆下支撐自己的支柱，默默吞噬掉自己的組成部分。這個過程被稱為細胞凋亡或程序化細胞死亡。下面的數字可能會讓你感到驚訝。你作為一個普通成年人，每天會死去 500-700 億個除紅細胞以外的細胞[6]。相對地，你就會產生 500-700 億個新細胞來彌補。那麼紅細胞呢？每一秒鐘，我們都會失去 250 萬個紅細胞，別緊張，我們身體里隨時都儲備著 30 萬億個紅細胞[7]，也就是相當於 3 億個細胞中失去了 25 個，千萬分之一的量級，顯得微不足道了。我們補充的速度也是驚人的，失去多少就能差不多補回多少。把這兩項的數字相加，我們每天要新生成 2200-2400 億個新細胞。突然有一種我竟然是這麼神奇的存在的感覺。還有值得一提的是，每一天，你身體中數千億的細胞為了你的健康而死亡的時候，還有數千億的細胞為你清理它們的遺體，它們似乎在默默執行著一套頗為體面的程序，還挺有儀式感的。細胞也有可能暴死，比如當你受到感染時，這種情況就會發生。但絕大多數是按照指令正常死去。實際上，細胞只要沒有收到繼續活著的指令，也就是由其它的細胞發出的活動指令，它們就會自殺。

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在很偶然的情況下，一個細胞沒有依照指令終結自己的生命，而是開始了野蠻的分裂和繁殖，我們把這種結果稱為癌症。癌細胞其實就是行為錯亂的細胞，這樣的錯誤經常會發生，但是我們人體有一種極為複雜的糾錯機制，只有在極其偶然的情況下，細胞的行為才會失控。 2012 年 12 月，美國威斯康星大學麥迪遜分校的研究人員就在人類細胞中新發現了一種細胞分裂形式。研究人員表示，這種形式在缺陷細胞分裂的過程中起著自然備份的作用，可以阻止一些正常細胞向癌細胞轉化[8]。平均而言，每 10 億億次細胞分裂才會讓人遭受一次致命的疾病。從概率的角度而言，罹患癌症實在是一種壞運氣。

恐怕比患上癌症更讓人覺得恐怖的就是癌細胞擴散了，這些年對此的研究也一直在獲得進展。和大家分享其中的一則。2017 年 7 月，賓夕法尼亞大學佩雷爾曼醫學院的研究人員有了一些新的發現[9]。他們的研究試圖搞明白為什麼某些類型的乳腺癌比其他類型的對人體的侵略性更強。我們知道，除了癌細胞外，人類的腫瘤中還含有一些正常的細胞，比如成纖維細胞和各種免疫細胞。但是，狡猾的癌細胞會把這些正常細胞也拖下水，來達到腫瘤變大、轉移的目的，還會一起抵抗治療。經過研究發現，腫瘤內的某些成分能夠模擬類似病毒的作用。可是在大多數情況下，這些腫瘤內並不存在病毒感染。所以，是有一種物質，起到了病毒的作用，但又不是病毒。

隨著研究的深入，研究人員發現，癌細胞會指示成纖維細胞（也就是我剛才說過的腫瘤內正常的細胞）分泌外泌體，這些外泌體富含一種特定的 RNA，它具有類似於病毒 RNA 的特殊末端。在乳腺癌細胞的指導下，這種 RNA 會欺騙細胞對外泌體做出如同病毒感染一樣的響應。研究人員發現某些參與研究的乳腺癌患者的血液中富含這種與病毒類似的物質，尤其在某些重症患者中這種物質很常見，可以說，它就是癌細胞脅迫正常細胞就範的幫凶。現在，研究人員希望鎖定這種物質，開啟治療的一扇新大門。相關研究成果發表在了著名的《細胞》雜誌上。

說回普通的細胞。細胞讓人嘖嘖稱奇的不是它偶爾會出錯，雖然這也是事實，但真正讓人驚嘆的是，它把一切都打理得井井有條，一干就是幾十年甚至上百年。它們的行動很周密，能做到這一點靠的就是源源不斷地發出並監視著來自全身的信息流，想想看這得有多嘈雜吧，信息流涵蓋了指令、查詢、糾正、尋求協助、更新、分裂或到期的通知，凡此種種，細胞卻能做到無一遺漏。大多數的信號都通過激素來傳遞，荷爾蒙由此成了細胞的快遞員，勤勞的快遞小哥有胰島素、腎上腺素、雌激素、睾酮，他們最遠是從甲狀腺和內分泌腺的農郊地區趕來的。除了快遞，其他信息是發電報送來的，電報員則是我們的大腦，有時電報也會來自區域中心，不從大腦而從區域中心發報的方式被我們稱為「旁分泌信號」。最後，細胞還會直接和鄰居們溝通，事無巨細地確認所有行動都協調好，不出錯。

最厲害的地方在於，這看上去完全就是細胞信手拈來不費吹灰之力就做成的事情，靠的貌似就是相吸或相斥的元素規則，根據這個規則，大家各行其道。細胞行動的背後並不存在「思考」。它所有的行動都不需要我們去操心，一切平穩有序，日復一日。所達成的絕不僅僅是細胞內的秩序，而是我們作為生命體內部完美的和諧。我們對此的了解剛開了個頭，我們只知道是數不清以兆億為單位的反射性質的化學活動，造就了一個靈活的、會思考的、擅長做決定的人。好吧，雖然金龜子沒我們厲害，但組成它的細胞原理也差不多，內在管理也挺有序的。只能說，我們該記住，每一個生物都是原子工程學的奇蹟。實際上，有一些我們認為很原始的生物，它的細胞組織讓人類的細胞組織都相形見絀。比如海綿，把它的細胞分離開來（這不難，我們使用一種過濾器就可以做到這點），再把它們倒入溶液中，它們會自動重新結合，又變成海綿。哪怕你不斷地重複這個過程，它們也能一次次地重生。這是因為，它們有一種強烈的意願，這也是包括你我在內的所有生物所共同擁有的願望：活下去。

而這一切都是因為一種神奇又神秘的分子結構，而這種分子本身並無生命，它們的大部分也不做任何事情，但它是當之無愧的宇宙奇蹟。這就是 DNA。為了讓你了解DNA對我們以及生命科學的重要性，我們需要回到 160 多年前尚處於維多利亞時期的英國，回到博物學家達爾文想出「史上最了不起的創見」的那一刻。但是，這個最了不起的創見卻在抽屜中一鎖就是 15 年。預知後事如何且聽下回分解！