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看到一张在晨曦中摇曳的珠网，你会不会觉得它过于纤弱，有可能溶解于露水的浸润或破裂于微风的轻拂？事实上，蛛丝是目前已知的最为强韧的纤维状材料之一。究其原因，正在于蛛丝中分子链独特的组织方式。这是一本以分子为主题的书。在如此短的篇幅之内，从现实应用、原理探究到前沿的研究进展，分子的故事被娓娓道来。

一个活细胞的内部运行就像一座城市，其中布满分子居民，它们移动、交流、合作、竞争。在这本书中，菲利普•鲍尔深入探究了分子结构和分子活动如何决定着物质的特性和生命的过程，显示了我们身体内部的分子和周围世界的分子发挥着怎样的作用：比如，一个小小的受精卵如何生长为多细胞的音乐家莫扎特，蛛丝在晨露中为何不会溶解。作者还考察了我们对分子的认识和合成如何开启了一些激动人心的新领域，使分子机器以及体积微小但功能强大的分子计算机的开发进入日程。

前言

致谢

第一章　无形世界的工程师：制造分子

第二章　生命的征象：生物分子

第三章　承载压力：由分子而来的材料

第四章　燃烧：分子与能量

第五章　运动的精灵：分子马达

第六章　传递信息：分子通信

第七章　化学计算机：分子信息

索引

英文原文

菲利普•鲍尔

牛津大学化学专业理学学士，布里斯托大学物理学专业哲学博士，《自然》杂志特约顾问编辑。英国科学与科普作家，已出版多部作品，包括《设计分子世界：化学的边疆》（1994）、《明亮的大地：颜料发明史》（2001）、《预知社会：群体行为的内在法则》（2004）、《好奇心：科学为何对一切都产生兴趣》（2013）、《为帝国服务：希特勒时期为物理学真谛而战》（2014）等。

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Phenomena are hierarchical: all things cannot be understood by considering only waht transpires on a single rung. No matter how well I understand the way a transistor works, I will not be able to deduce from this knowledge why my computer crashes. If I sow seeds that fail to grow, I will do better to begin by thinking about the nurient content, humidity, and temperature of my soil than by performing a genetic analysis of the seeds. Much of the skill in doing science resides in knowing where in the hierarchy you are looking - and, as a consequence, what is relevant and what is not.

书籍介绍

看到一张在晨曦中摇曳的珠网，你会不会觉得它过于纤弱，有可能溶解于露水的浸润或破裂于微风的轻拂？事实上，蛛丝是目前已知的最为强韧的纤维状材料之一。究其原因，正在于蛛丝中分子链独特的组织方式。这是一本以分子为主题的书。在如此短的篇幅之内，从现实应用、原理探究到前沿的研究进展，分子的故事被娓娓道来。

一个活细胞的内部运行就像一座城市，其中布满分子居民，它们移动、交流、合作、竞争。在这本书中，菲利普•鲍尔深入探究了分子结构和分子活动如何决定着物质的特性和生命的过程，显示了我们身体内部的分子和周围世界的分子发挥着怎样的作用：比如，一个小小的受精卵如何生长为多细胞的音乐家莫扎特，蛛丝在晨露中为何不会溶解。作者还考察了我们对分子的认识和合成如何开启了一些激动人心的新领域，使分子机器以及体积微小但功能强大的分子计算机的开发进入日程。

• 作者： 贾里 发布时间：2019-12-07 16:28:56

  目前为止是我读到的分子生物学和生物化学的最佳科普读本。

• 作者： 开酒馆的老汉斯 发布时间：2021-02-28 16:37:52

  牛逼，必须要买一本作为科学写作的教材

• 作者： er3x3 发布时间：2017-07-22 11:05:53

  丛书的通病就是讲得太浅，如果文字不够有趣，可读性就很不好了。本书主要讲人体的分子及相关的分子工程，如果去除分子工程的内容，《生命的跃升》是本更棒的书籍。

• 作者： 丁丁虫 发布时间：2019-11-11 11:49:11

  非常漂亮的小书，每章一个小专题，三言两语就能解开（或者提示我注意到）心中长期的疑惑。

• 作者： 蓬山远 发布时间：2017-02-28 01:35:52

  可以解释清楚什么叫作“分子工程”

• 作者： petrouchka 发布时间：2021-11-09 11:17:36

  内容其实挺深入的，不过非常粉丝向，至少要对爱手艺生平，人际圈和作品有一定的了解才能发现其中的妙处。结尾处理有点突兀，不过也许是我没看明白呢

• 简直每个字都想摘录下来

  作者：丁丁虫 发布时间：2019-11-25 12:35:57

  75个笔记

  第一章 无形世界的工程师：制造分子

  化学是关于分子及其变形的科学。有的分子本来就在那里，只是等着我们去认识而已……但还有更多其他的分子只是我们化学家在实验室里造出来的……[化学的]核心就是造出来的分子，无论是通过自然过程还是通过人工手段制造。

  有些大学将化学系藏在了“分子科学”这样的名号之下，他们的想法可能是对的，因为这样其实是温和地将周期表这个重担丢掉，把化学家解放出来，投入到合成的世界中。这里不再是柏拉图的王国，在这里，人们设计、制造分子就是为了去做点什么，比如去治愈病毒感染、储存信息、固定桥梁。

  图7 这两幅立体图可以使我们看出三维空间中的分子形状。这里表示的分子是唾液中存在的一种溶菌酶。图中可以清晰地看到蛋白质链的螺旋部分。眼睛距此页20厘米，双眼视线向中间相交，这时可以看到三幅图。集中注意中间的那幅，多看几秒，它就会变得清晰起来

  普里莫·莱维这样写道： 认真说来，其实我们是很糟糕的装配工。我们就像笨拙的大象，别人给了一个封闭的盒子，里面装着一只手表的所有零件。我们很健壮，很有耐心，于是就拿着盒子用尽全力朝各种方向使劲摇啊摇。我们也可能会给盒子加加热，因为加热也算是另一种形式的摇晃。呵，有时如果手表不算太复杂，只要我们不停地摇，那迟早能把手表组装到一起……

  第二章 生命的征象：生物分子

  请注意，仅当细胞准备分裂时DNA才会打包成染色体（如图中所示），其他时候则保持松散的长链状

  法国生物化学家弗朗索瓦·雅各布和雅克·莫诺在1960年代提出了一项重大发现，解释细胞怎样维持各个隔间之间的秩序。他们表明基因之间能相互调节，可以通过自身编码的蛋白质为媒介来开关其他基因。例如，有些编码了细胞所使用的蛋白质的基因（称为结构基因），同时也伴随存在着编码了抑制蛋白质的调节基因。调节基因打开时，抑制蛋白就合成出来，绑定到结构基因上，阻止结构基因的“表达”（转录并翻译成蛋白质）。雅各布和莫诺将这些受调控的扩展DNA称为操纵子。他们从一个角度展示了细胞中不同基因和蛋白质拥有相互作用的网络。分子生物学家如今几乎解码了人类DNA的全部核苷酸序列，但是对于它所编织的这个巨大网络，人们才读懂了很少一部分。

  在1980年代，人们发现RNA可以在自身的重排过程中充当催化剂。人类基因里面有很多“废话”，在清楚地阅读之前需要先切掉它们（参见第140页）。这些“废话”会被复制到RNA上，但在RNA翻译为蛋白质前会被剪掉。这项编辑工作多由酶来完成，但也有RNA分子能够独立完成。这些RNA称为核酶，显示它们具有酶的倾向。

  在1990年代，生物化学家大大扩展了对RNA能力的认知。他们使用了操纵和改写DNA的生物技术，合成出各种各样的RNA分子，能用来引导各种各样的化学过程，比如将核苷酸连接起来，或者在碳原子间成键。这些研究揭示了，原则上RNA相当万能，足以引发生命起源所必要的化学反应。简言之，RNA既可以是基因携带者，也可以是工人。

  第三章 承载压力：由分子而来的材料

  缺乏维生素C将导致坏血病，病因就是损坏的胶原蛋白没有被替换。

  结缔组织中是无序缠绕的结构，与此相反，眼角膜则由胶原纤维有序地排列堆积。这些纤维太小，不足以散射光线，因此这种材料几乎是透明的。由此我们能看到一条自然界中随处可见的基本设计原理：通过调整化学成分，以及—最重要的—改变相同基底分子的层级排列方式，我们有可能得到多种不同的材料性质。

  这些材料都呈纤维状结构，其原因在于，对于单细胞制造体系而言，造出这样的结构比造出其他结构—比如铸造固体块—要来得简单。

  天然树胶主要由一种烃类聚合物构成，称作聚异戊二烯，分子链中只包含相互连接的碳原子和一些附带的氢原子。当今很多大规模生产的塑料也都是烃类聚合物，如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等，它们都是炼油的产物。但卡车轮胎所用的橡胶却是天然产物，因为要去合成它仍然太困难。

  在20世纪中期以前，要将烃类小分子连接起来形成聚合物长链可是件靠运气的事情，结果会产生很多种不同类型的分子链：有的短，有的长，有的会分叉，有的是直链。因为链的结构会决定它们怎样堆积，而堆积的方式又进而决定了宏观材料的性质，所以对合成缺乏控制就意味着，高分子化学家们很难精细地调节材料性质。大自然能够通过精致的结构控制用同样的原材料制成好几种明显不同的纤维，而化学家却只能每次都得到相同的塑料。在1950年代，人们研制出了特别的催化剂，对分子链结构能够进行更深入的控制，从而控制分子堆积的方式。举个例子来说明它的意义：对于聚乙烯，我们不但能造出过去那种柔软、低密度的形式，还能够造出新的坚硬且高密度的形式，扩大了使用范围

  现代合成技术已经能让化学家在很大程度上掌控分子链的构成，比如他们可以通过把一种聚合物支链嫁接到另一种聚合物主链上，或者通过对调单个分子链上的两块不同部分，来制取杂化聚合物。但是，要想合成一种包含多达上千个单元的聚合分子，各种单元反复出现，顺序相当随意、复杂，此外还要保证材料中的每条分子链都一模一样，这种要求就远远超出了我们现有的合成水平。

  第四章 燃烧：分子与能量

  汽车能以接近极速行驶很长时间而不疲劳。只要你往油箱里不断加油，它就能几乎无限地一直行驶。而短跑运动员却不能用短跑的速度跑完整个马拉松，即使不断地给他们嚼葡萄糖片也无济于事。这是为什么呢

  在很多方面，对生命最好的惯用定义在于代谢，而非复制。进化生物学家也许会说，我们生存的目的在于繁衍—可是，我们却并非时时刻刻都在努力进行生殖活动，哪怕最好色的人也不是

  无论行走还是睡眠，我们的体温总保持在接近37℃的健康温度。要维持它只有一种办法：靠细胞持续输出热量，这是代谢的一种副产物。热量并不是这里的关键问题，它只不过是无法避免而已，因为任何能量转化都必然会像这样浪费掉一部分。我们代谢过程的根本在于制造分子。细胞若不持续地更新自身就无法生存，它们需要为蛋白质制造新的氨基酸，为细胞膜制造新的脂类物质，为细胞分裂制造新的核酸。只要我们活着，细胞的车轮就不能停下，而转动车轮正是要消耗能量的。

  即使是石蜡的燃烧，人们至今也并未完全搞清其中的所有细节。而当时的法拉第，自然也肯定没有明白问题中的许多重要方面。不过，燃烧的本质其实就是产生能量的一切化学过程的本质。首要条件是，它必须是个下降的过程。

  即使是石蜡的燃烧，人们至今也并未完全搞清其中的所有细节。而当时的法拉第，自然也肯定没有明白问题中的许多重要方面。不过，燃烧的本质其实就是产生能量的一切化学过程的本质。首要条件是，它必须是个下降的过程。

  系统的熵所度量的是，有多少种办法能够重排系统中的原子，而又不引起任何可察觉的变化。如果有人进入我的办公室，将本已乱七八糟的纸张重新打散成若干堆，这样的变化我很有可能不会察觉到。但如果像做梦一样，他把所有论文都认真地整理好，排序归档，那我马上就会注意到这个变化。粗

  第二定律其实表达的是这样一件事：系统从有序向无序发展的可能性较大，不过是因为无序的可能数量要比有序的可能数量多。若系统包含好几万亿个分子，这种概率化的陈述就几乎成了确定性的。第二定律之所以称为定律，只是因为违反它的可能性极小，几乎不可能发生。

  生物化学中的能量制造，基本上就是要在单个重物完全落下之前，拉起尽可能多的重量。像我们这样的动物，重物就是食物分子中蕴藏的能量。

  火苗中的燃烧是不可控的，我们只能得到光和热。而在人体中，燃烧受到严格的控制，按照一层一层的顺序分步进行，化学能量就在各个步骤间被释放或者储存。

  发电厂会燃烧煤、石油、天然气，但显然它不仅仅只是一个扩大了的燃烧的锅炉。燃烧只是达到最终目的的一个手段。热量用来将水变为水蒸气，水蒸气的压力推动了涡轮机，涡轮机带动电线线圈在大磁臂中旋转，于是电线中就产生了电流。在这个过程中，化学能转化成热能，再转化成机械能，最后转化成电能。所有发电厂都会有大量安全和管理机制：有人工去检查压力仪表，检查运转机件结构是否完好；自动传感器会进行测量；故障应急装置能够防止系统发生灾难性的故障。细胞中的能量制造也一样复杂。简短的一番描述根本对不住这系统的非凡美妙。细胞似乎把一切事情都考虑到了，用蛋白质器件来精细地调整一切。

  ATP之所以富含能量，是因为它有点像弹簧。它包含三个磷酸基团，像火车车厢那样连接起来。每个磷酸基团都带有一个负电荷，这也就意味着它们之间会相互排斥。但它们又被化学键结合在一起，因而无法逃出彼此的魔爪。当它们被拉开时，磷酸基团的斥力就会突然爆发。

  不严谨地讲，在循环中被扔掉的还有电子，柠檬酸循环将电流输送到线粒体的另一部分中。这些电子用来把氧气分子和带正电的氢离子转化成水，这是个能量释放的过程。

  氢离子水库在线粒体中驱动着ATP的合成，像推动微型水轮机一样推动着某个装置。

  肺部血管中有很多氧气分子，当一个血红素基团附着上氧分子后，会发出一个震动信号，促使另外三个血红素基团也去捕捉氧分子。血红蛋白基本上是在肌肉组织中给出氧分子，传递给肌红蛋白。肌红蛋白是另一种结合氧分子的蛋白质，对氧的亲和力比血红蛋白还要强。当一个氧分子离开血红蛋白时，“反震动”就会削弱其他三个血红素基团结合货物的能力，于是它们也就欣然释放了氧分子。这些震动称作变构，震动虽小，却是蛋白质链折叠构型的显著变化。

  当叶绿素得到光能时，它会被“激发”，就像苹果树被摇晃。在激发态上，叶绿素束缚外层电子的能力减弱，于是其中一个电子就脱离它成为自由之身。这个电子接着会传递给一个酶。当酶收到两个从叶绿素“摇下来”的电子时，它就能把一个NADP阳离子转化成NADPH。在另一个光能驱动的反应中，缺了电子的叶绿素能重新从水分子中夺得一个电子。而水分子被分解为氢离子和氧原子。氧原子两两结合形成氧气分子，植物通过叶子表面的气孔把氧气释放出去。

  葡萄糖和蜡（一种烃类）都“蕴含能量”，利用氧气断裂它们的化学键，就可以以热能的形式释放出能量（除非将能量导入其他形式）。但是，有些化学家却还在寻找蕴含着更多能量的分子。那么一个分子里究竟能装得下多少能量呢？

  第五章 运动的精灵：分子马达

  我们能不能通过一个一个码放原子来制造分子呢？1959年的时候，这件事对任何人来说都是无法设想的，但想象力魔术师费曼就想到了

  费曼同样在分子器件和人工生物中找到了灵感：“在其中化学作用力会反复地使用，制造出各种奇怪的效应（也包括作者这种奇怪的东西）。”他意识到生物学中已经有分子机器的存在

  大致能想象动力蛋白的机制，但这里说的”微管弯曲*是不是错了？

  由于动力蛋白分子指向的方向都相同，因而微管弯曲时，双联管中的一支就会沿另一支身上爬行。如果分子只是单纯地又再次伸直，那么微管也就会回到原来的位置。

  搜个棘轮的动图，一看就明白了。

  光与分子中的电子之间相互作用，能够在目标物质上产生一种力——一种“光压”。若目标足够小，光的强度足够大，那么这种力就足以移动目标。

  （太阳风帆）

  第六章 传递信息：分子通信

  尽管化学工业有很大一部分致力于生产“消极”的产品—新型的塑料、水泥、粘胶、颜料、合成纤维—但药物分子却总是与它们有点不一样。药物的任务是要参与到一个动态的过程中，去影响细胞的活跃生命。它们像是在扮演剧中角色的演员—诚然，它们经常要靠扮演别人来发挥作用。

  化学家也已经开始认识到，可以在纯合成化学系统中实现这样的动态活力。于是化学逐渐地较少关注单种分子的性质，而更多地去关注一群不同的分子如何作用—彼此结合或破裂，相互修改各自的趋向性，传递信号。化学开始成为一种过程的科学。

  本书中我讨论的很多成果都支持这样的观点，比如研发分子太阳能电池、化学传感器、分子纳米技术、进行信息处理的分子器件等。这个领域内的很多研究都可以用超分子化学这一词来概括，意即超越了分子的化学—关于沟通着的分子的科学。

  我们必须记住，尽管大自然是有启发性的，但它却也是吝啬和盲目的。生物所使用材料的广度很有限，而且生物倾向于无止境地为适应新的目的而给出还不错的解决方案，不会每次都完整地探索整条新的大道。正如喷气式飞机并不是放大版的鸽子，睿智的分子工程师从自然界中得到的是原理，而不是设计图。

  体内必须要有某种机制，可以向全身发送关于动作的指示、命令和召唤。从大脑出发的神经信号就是躯体协调动作的一种方式。它们是躯体的电话系统。而在整个身体范围内传送的常规信息则像是寄信，以分子形式作为群发邮件投入血液，这种分子就称为激素。激素的形态和功能多种多样。有的激素是大蛋白质，有的则是小有机分子。有的溶于水，有的则不溶（也就意味着要有信使分子在血液中携带它们）。有的传递紧急消息，比如“快跑！”有的则产生长期的效应，比如促进成长或者性征的发育。

  为什么强调青春期？是因为在青春期之前性腺还没发育成熟吧？但性腺何时发育又是受什么控制的呢？

  性腺（女性为卵巢，男性为睾丸）所释放的激素能够分化性别，并在青春期引发发育的变化

  人体怎样解读激素信息呢？这依赖于信息本身的特性。有的激素可以穿过细胞膜，在细胞里与受体蛋白结合。这样就可以激发受体，刺激特定基因的转录，制造出细胞所需的蛋白质。这称作激素的基因直接作用机制，它作用于较小的不可溶激素，因而能够穿过脂类组成的细胞膜。

  但很多激素最多只能敲敲细胞的大门而已，尤其是那些多肽和蛋白质分子的激素。它们会在细胞表面得到管家—受体蛋白的接待，受体蛋白的任务就是将信息传达至细胞内的其他分子。

  和大多数分子通信类似，信息从激素传达到受体蛋白的方式颇为亲昵。分子之间毫不拘束，它们通过紧密的拥抱来传话。分子没有什么别的办法来相互识别，只能靠“触碰”辨识彼此，即受体与目标分子（底物）形状精确相符，嵌合在一起，如同钥匙配锁一般。细胞表面的每一个激素受体蛋白都有一个结合位点，形状塑造得恰好能与激素吻合。

  尽管激素传递的信息多种多样，信号从细胞表面的受体蛋白传递到细胞内部的机制却几乎在所有情形下都是一样的。这个过程涉及一连串的分子相互作用，分子如接力般一个转化另一个。在细胞生物学中这称作信号转导。在信息进行接力传递的同时，相互作用还把信号放大了，于是单个激素分子与受体的对接就能在细胞里产生一个大动静。这个过程是这样的：受体蛋白横跨整个细胞膜的厚度，激素结合位点在外表面伸出，而底部则从内表面露出（如图34）。当受体结合了目标激素时，一个形变就会传递到蛋白质下表面，使它成为一种酶。

  这个过程之前的所有参与者都卡在细胞膜上。但cAMP则能够自由地游动于细胞质中，能将信号传递到细胞内部。因为它从“第一信使”（激素）得到信号，并作为代理人传送到细胞社区中，所以它就称为“第二信使”。cAMP能够附着在称为蛋白激酶的蛋白质分子上，使得这种分子又变为活化的酶。大部分蛋白激酶能通过附加磷酸基团（一种称作磷酸化的反应）开启或关闭别的酶。蛋白激酶的行为启动了一连串的反应，每个蛋白激酶都可以作用于好几个酶分子，而下一个酶也可以作用于多个分子。这样一来，单个激素与受体对接就可以影响到细胞内部的很多分子，使信号得到放大。

  利用G蛋白机制的也并非只有激素信号。我们的视觉和嗅觉同样涉及信号的转导，也会使用相同的转化过程。鼻腔的顶部排列着嗅觉传感器，称为嗅毛。嗅毛连接在神经细胞的末端，细胞能将信号传送到嗅球，即大脑的“嗅觉中心”。嗅毛的细胞膜上就分布着受体蛋白，它们专门结合进入鼻腔的特定的带气味分子。

  嗅球从不同的传感器获得混合的刺激，形成一种气味的“图像”，就像我们通过面部不同部分的总和来辨识一个人一样。

  我们的味觉大部分都可以归结于嗅觉系统。舌头上的味蕾只能辨别较低级的特征味道：甜、苦、咸和酸。而成熟的奶酪和新鲜出炉的面包带来的愉悦则大部分来自它们所释放的气味分子。

  时至今日，大脑还是一个谜团，是科学中一大未解之谜。有的科学家认为大脑永远无法完全理解其自身，因为这个问题所具有的自我指涉的本性总会造成盲点。而有的科学家则相信，对意识的科学解释已经在地平线上显露出来了。不管怎样看待，大脑的秘密可能都远远超越了单纯分子的领地，而根植于与复杂的、紧密关联的信息网络的表现相关的问题之中。在这里我们看到了还原论的局限：尽管思想的分子过程我们已经描绘清楚了，但总体性的影响我们却一无所知。

  大脑中包含很多脑细胞，或者称神经元，总数在10亿至1000亿之间。这并不值得夸耀一番，别的器官的细胞数量也与此不相上下。但大脑与众不同之处在于这些细胞间通信网络的复杂性。每个神经元都有大约1000个对外的连接，于是整个大脑中就有多达100万亿的细胞间连接，差不多相当于1000个银河系里星星的数量。在这样的输送网络中，你瞬间就会迷失。计算机中集成电路的连接数量远不及此，因此也就难怪对于某些小孩子一下就能完成的任务，计算机即使算得再快也会悲惨地失败。

  第七章 化学计算机：分子信息

  负熵是生命所必要的特征，但不是充分的，它在混乱上推行着秩序。混乱就是死亡。如果细胞不能明晰地收发信息，如果细胞不能在正确的时间完成任务，如果细胞膜失去了组织性，如果蛋白质不能折叠，那么生命将无以为继。我们正是荒蛮世界中的秩序绿洲。

  关于人类基因组计划，社会上流传着一些不太谨慎的说法。比如有传言说，一个技艺足够高超的工程师仅用其中的信息就可以造出一个人。这是无稽之谈。人体中充满了各种并非靠基因组编码的分子，基因组所编码的只有蛋白质而已，甚至还编得有点杂乱、不完整。关于组成细胞膜的脂类，基因组什么都没说，更没提到这些脂类会如何在物理动力的作用下聚集成层状、环状和球状。基因也不会告诉我们神经信号如何工作，大脑如何利用精确定时的电脉冲序列来编码思想和感觉。也没有哪个基因是关于骨骼、牙釉质的。说基因组是细胞之书，就像是说字典是话剧《等待戈多》之书。它全部都在里面了，但你却无法由此推导及彼。

  话说回来，基因组的确是一部分子形式的指导手册。它告诉我们如何制造蛋白质，而蛋白质编导着生命壮阔的分子大戏。

  对于分子科学家而言，遗传学谈的其实是分子非常奇妙而深刻的一个特点—能够携带并传递信息

  约翰·霍普菲尔德指出，这是生物学用“存在性定理”来启发化学家的众多例子中的一个。他说：“数学家使用‘存在性定理’这个词，指的是证明他们想要构造的某种函数确实存在，而不是不可能的。从这种意义上讲，观察到鸟在飞就为工程师提供了一个存在性

  这个想法太厉害了

  根据同样的道理，遗传学向我们展示了利用分子进行计算是可能的。计算无非就是信息的存储、传输和处理，而基因机器可以完成所有这些。让—玛丽·莱恩说：“存在着一种‘生命有机体的分子逻辑’。” 这其实是上一章的推论，我们在上一章中已经看到，分子之间可以相互通信。而真正的分子逻辑含义更加确切：它不仅要求一个分子可以影响另一个分子的行为，还要求它们能以清楚严格的方式传输并操作经过编码的信息。计算机就是这样工作的：让数据在半导体和磁性材料制造的开关和存储器间进行传输。 用分子来计算仅仅是信息走进分子科学的其中一面。从更宽泛的方面来讲，化学家已经熟知了给分子编程让它们表现特定行为的思路；可以把性质编织到分子结构体中，就像对机器人编程、写入一系列指令那样。莱恩说：“其前景……是一种关于信息化物质的更广泛的科学。”这样的化学是真真正正的一种崭新的科学，在许多方面都与传统的制造实用物质的化学截然不同。这种科学是关于更加积极的“演化”的，而不再仅关乎消极的“存在”。它正在发生着，但我们还不知道它会带我们走向何方。

  人们至今尚未完全理解一个特定的蛋白质序列会如何折叠它的链。也就是说，我们还不能够仅凭基因的序列就推断基因的功能（虽然我们有时可以大致猜到）。人类基因组的第一幅草图里面还充满着目的不明的基因。

  DNA是关于蛋白质信息的手册。我们可以认为每个染色体都是独立的一章，每个基因则是这一章中的一个单词（它们可是非常长的单词！），基因中的每个碱基三元组是单词中的一个字母。而蛋白质就是单词翻译出的另一种语言，新语言的每个字母是一个氨基酸。

  在出版这本书的某个阶段，我会从出版社收到校样—最终成书页面的初级版本，由我提供的原稿编辑而来。（但愿）它将会是我所写内容多多少少较为忠实的转录。但毫无疑问，其中总会散布着零星的小错，可能是打字错误，也可能是文件读取故障导致的。作者们对此习以为常，因为要复制一份很长且很复杂的信息总难免引入一些错误。基因的转录（DNA复制为RNA）和翻译（RNA复制为蛋白质序列）过程同样如此。分子也不能永远都完美地识别，偶尔会有一个错误的核苷酸或氨基酸插入链中。大概每20个蛋白质中就有一个的制造过程出现差错。这要紧吗？总的来看并不要紧。我和出版社不太可能在这本书付印之前找出所有打字错误。但很可能里面的错误都不太严重，不至于让你无法理解我的意思。类似地，在蛋白质中，链的大部分都是充当脚手架的作用，只是为了将个别要执行催化任务的氨基酸残基放在正确的位置上。所以发生在脚手架上的各处错误可能都不严重。有时一个错误也可能会导致产生的分子完全失效，但细胞对于任意特定任务会制造不止一种酶分子，而往往会造出几十种甚至上百种酶分子来执行这个任务，所以即使有一两种废品也没关系。我这里所讲的是随机性错误。而系统性错误就要严重得多，它产生在生物信息流的上游位置，更靠近于信息存储的根源位置。若RNA分子转录有错，就会产生出上百个错误的蛋白质。因此，会有一些酶专门仔细检查转录过程中有没有产生复制差错，把错误的频率降低至大约万分之一。

  但即使是转录中的错误也很少会造成很严重的后果，毕竟RNA分子很短命，细胞也总能造出更多的RNA来。而DNA里出现错误就糟了，因为一旦错误产生就没办法再去纠正。若基因中一个核苷酸放错位置，这段基因产生的RNA以及这些RNA再产生的蛋白质就都会含有相似的错误。更糟的是，由这个基因有错的细胞中分裂出去的后代所有细胞都继承了相同的缺陷。如果配子—精子或卵子细胞—带有基因缺陷，那么缺陷将传播至该配子所繁衍出的所有后代上。这就是为什么DNA复制时需要“校对”酶来极端认真地审核，它会保证平均每10亿个碱基中混入错误的数量不大于一。若缺少了这些校对分子，每产生一个新细胞就会得到大约1000个有缺陷的基因。能遗传下去的错误，即制造配子时DNA复制发生的错误，就称作突变。一旦突变产生，它们就会沿着系谱树从亲代一直传到后代。突变是一些基因相关疾病的原因，如囊性纤维化疾病等；突变还会导致一些基因相关的易感体质，如易感癌症和心脏病等。尽管突变会导致这些可怕的后果，但它同时也是生命中的调味料。实际上，正是有了基因突变，才会有了我们人类的存在。如果在早期地球上热汤之中的低级单细胞生命体从不偶然发生突变，总能不带任何错误地复制相同的DNA，那么就不会有进化，也就不会出现更复杂的生命。

  当出版社给我寄来校样时，文本必然会发生一点变化。校样中常出现一些我当初并没有写过的词语。但这并不是错误，而是完全合理的。它们其实是编辑所作的改动，而且我能肯定新的文本比我的原文更易于阅读和理解。在1970年代中期，人们惊讶地发现基因同样也需要编辑。从DNA模板上直接脱离下来的RNA转录副本并不适于翻译成蛋白质，它含有很多无用的信息。这些“初级RNA转录副本”更像是语句中被随机插入了其他的语句碎片。RNA分子需要进行大量的编辑，才能表达清楚的信息，适于翻译。这些插入的无用信息称作内含子，有时它们甚至会占据基因的大部分空间。它们并不用来编码蛋白质，所以也称为非编码序列。酶会在RNA初级转录副本中剪掉内含子，然后将编码区（称为外显子）的两段拼接起来。

  “细胞之书”中遍布着杂乱的内容和无聊的重复，而上述只是其中一种形式。人们认为，整个人类基因组中只有百分之二到三的部分是用来编码蛋白质的。有的序列发生重复是有理由的。每个人的染色体都以TTAGGG重复约2500次结尾。这些片段称为端粒，人们认为它是用来保持染色体稳定的。细胞每分裂一次，它们就会被截短一次，这种侵蚀在老化过程中发挥了作用。但也有很多其他的重复序列并不具备有用的功能。转位子是一种能在基因组上跳来跳去的重复序列，每离开一处时就会留下一些副本。人们认为，这是一种居住在我们体内最核心处的基因寄生物，它们唯一的目的就是复制自己。内含子可能就是丧失了移动能力的远古转位子残余。

  比如抗除草剂的基因有可能会从农作物体内转移到杂草的体内，产生“超级杂草”的新品种。人们尚不知晓这种基因跨物种“横向”转移的概率有多大。

  有些人反对基因工程，认为篡改基本的生命材料DNA是违背伦理的，无论对象是细菌、人类、西红柿还是绵羊。这种反对意见是可以理解的，而且若以它不科学为由来驳斥就太傲慢了。不过这种意见的确与我们对生命分子基础的认识不太契合。一旦意识到我们的基因组成是多么随机—即便称不上任性，恐怕我们就很难再继续把它看作神圣不可侵犯的。我们的基因组里到处都是寄生着的废品，充斥着30亿年进化的残余。这套不成体统的文库里面似乎并没有什么优雅的、值得尊崇的东西，而真正值得尊崇的应该是蛋白质，一群群勤勤恳恳的蛋白质从长篇的废话中努力地筛选出有意义的片段。这一整套工作完成得如此之好，的确令人惊讶。但正如大多数生命现象一样，这也只是得过且过的办法，效率和整洁并不是重要的问题。

  目前为止，这些分子建造其实还只是愚笨的技巧表演，只不过展示了对分子识别实现惊人的控制，从而建造起纳米尺度的结构。但希曼提出，在他这种实验中，DNA框架有可能充当脚手架，有效地组装起其他分子和材料。例如，我们有可能在DNA链外部覆盖上银，于是就把它们转化为导电的分子导线。那么，是不是有可能某一天通过对导线进行“基因”编程，建造出微型的、按特定模式连接起来的电路呢？

  米尔金和同事们现在正在研发该技术的商业用途，希望成为特定DNA单链序列的简单的可视化检测方法，而这种检测方法正是基因分析中普遍的需求。

  这种多肽可以“感觉到”半导体晶体表面的原子是怎样组织的。也许有一天，可以给基因工程马达蛋白（参见第五章）装上这种识别特定半导体的多肽手臂，于是就能将纳米晶体拖拽到分子建造的位点附近，并把它们排列成电路的模式。

  这种装置的输入不是电信号，而是化学信号，产生的是光信号输出。也就是说，它能够根据“化学信号”究竟是“开”是“关”，即两种化学物质是否存在，来改变自身的光发射行为（荧光）（如图40）。这与细胞表面受体蛋白的工作方式颇为相似（参见第119页），受体蛋白能够根据它们是否结合了目标分子来发出某种信号。

  这种装置的输入不是电信号，而是化学信号，产生的是光信号输出。也就是说，它能够根据“化学信号”究竟是“开”是“关”，即两种化学物质是否存在，来改变自身的光发射行为（荧光）（如图40）。这与细胞表面受体蛋白的工作方式颇为相似（参见第119页），受体蛋白能够根据它们是否结合了目标分子来发出某种信号。

  我们越近距离地审视关于新计算机的想法，就越能够看到它与人体所面临的难题的相似之处：怎样随心所欲地排列分子，怎样传输并放大信号，怎样使导线在两个开关装置间生长出来（像神经元那样），怎样处理差错，怎样控制事务之间的相对时序。或许未来的计算机工程师也需要学习很多的生物学知识。

  似乎是为了把DNA发挥到极致，近几年来一些科学家展示了DNA也能够执行计算。这让我们转了一大圈之后又回到起点，因为我在一开始就说到，DNA提供了分子计算的一种存在性证明。但在细胞中，它只提供了制造蛋白质的程序。从没有人想到DNA也能解决和计算机领域里一样的问题，直到1994年伦纳德·艾德曼才提出这个观点。艾德曼意识到，基因编码就像计算机科学中的二进制编码一样，也可以编码数学问题。他展示了如何利用生物技术操纵重组DNA来生成一个问题的各种可行解答。之后再使用DNA序列分析技术进行筛选，在所有可行解答中鉴别出正确的解答。

  一个经典的例子是“旅行推销员”问题，问题内容是：给定大量的空间中的点（“城市”），求出能途经所有点各一次的最短路径。艾德曼展示了，通过把DNA短片段打乱并拼接，问题的所有可行解答都可以在试管中编码成单链DNA分子。解答的数量可能非常巨大，但也比不上试管中的分子数量大。而且，所有可行解答都是同时产生并检验的，所以原则上DNA计算能够迅速地找出“最优”的解答。

  人们常说，每个年代的人都倾向于用当时最先进技术所衍生出的模型来阐释世界，那么，面对那个困扰了霍尔丹、薛定谔和无数先贤的历史悠久的问题，或许身处信息时代的我们也应当谨慎，不要对这个（片面的）答案过于武断。或许更重要的是，我们应该把这看作一种启示，展示的是这个无限动态的、相互作用的、我们未曾看见又常常疏于讴歌的分子世界。

• 万立骏：魅力无穷、前景无限的分子世界

  作者：胡伍玄 发布时间：2017-02-22 14:14:56

  序言

  万立骏

  写好一部科普科幻作品绝非易事，写好一本科学通识读本也见功力！因而，我们有对《十万个为什么》的怀念和感恩，有对“雨果奖”和“安万特奖”的崇拜，呼唤和期待更多的好作品问世！

  今天呈现在诸君面前的《分子》由英国著名科学作家菲利普• 鲍尔原著，为“牛津通识读本”系列之一，也是科普作品中的上品。作者菲利普• 鲍尔是科普作品大家，多年担任著名学术杂志Nature（《自然》）编辑，兼任Chemistry World（《化学世界》）、Nature Materials（《自然材料》）、BBC Future（ 英国广播公司《未来》节目）等专栏作家。2005年他所著Critical Mass: How One Thing Leads to Another（中译本为《预知社会：群体行为的内在法则》）一书获“安万特奖”。

  众所周知，分子是保持物质化学性质的最小微粒，由原子、分子构成的物质世界多姿多彩，活力无限！“分子”不仅是“化学”的代名词，也是材料、生命等诸多研究领域的研究对象和诸多功能的执行单元。不同学科领域的科学家对分子的理解、认识和研究角度或许不同，正是这种多层次和多角度的理解使得人们对自然界和对生命体的认识不断加深、不断发现、不断创造。本书的特点，也是精妙之处，是从不同视角介绍了化学、生命、材料等领域的分子研究特点、研究热点和研究成果，又将分子反应、分子材料和分子体系的功能与生命现象、分子机器、分子内/间的信息传递和存储、分子计算技术融会贯通，呈现给读者一个魅力无穷、前景无限的分子世界。作者以通俗的语言、形象的比喻、生动的实例告诉读者什么是分子，分子有什么用途、能做什么，分子科学向什么方向发展等等，写出了一本难得的科学通识作品。

  当今时代，新的分析技术不断涌现，“看到”分子已不再是难事；各路科学家攻坚克难，分子层次的科学研究成果精彩纷呈。本书图文并茂、内容丰富、语言优美易懂，英文版自出版以来，深受广大读者的欢迎和好评。此书现在中国出版恰逢其时，一定会吸引更多的青少年朋友对分子科学产生兴趣，激发众多青年才俊的科学创新创造能力，推动分子科学研究的更大发展！我愿意将此书推荐给各位：开卷必有益，或许会获益终身！

  万立骏

  中国科学院院士，发展中国家科学院院士，中国科学院分子纳米结构和纳米技术重点实验室主任，北京分子科学国家实验室（筹）主任，中国科学技术大学校长。