酶是生命的引擎，探索量子生物学的第一站

02酶是生命的引擎

酶是生命的引擎。所有的生命都依赖酶。我们体内的每一个细胞中都填充着数百甚至数千个这样的分子机器，无时无刻不在“帮助”细胞组装和回收利用生物分子，使之持续不停地运转下去。这个过程，就是我们所说的“活着”。

在之后的三年时间里，整副恐龙骨架的近乎一半被小心翼翼地从周围的石块中发掘了出来，运往位于蒙大拿州博兹曼市的落基山博物馆。标本在这里被编码为MOR 1255。许多机构参与了这项任务，包括美国陆军工程兵团的一架直升机以及许多研究生。为了能装上直升机，一块霸王龙的股骨被切成了两半，而在此过程中，一块石化的骨骼碎掉了。杰克·霍纳将其中几块碎片送给了他同为古生物学家的同事玛丽·施魏策尔（Mary Schweitzer），因为他知道施魏策尔会对化石的化学组成感兴趣。

打开盒子时，施魏策尔感到万分惊喜。她在检验第一块碎片时就发现，在该化石骨骼内部（骨髓腔）似乎有着看起来极不寻常的组织。她将骨骼化石放在酸中处理，希望酸浴能够将其外部石化的矿物质溶解，以便观察其内部更深层次的结构。然而，由于意外，她让化石在酸浴中待了太长时间。等到她回头来看这个实验时，才发现所有的矿物质已经全都溶解了。施魏策尔本以为整块化石都已分解，但她和她的同事们惊奇地发现，一种柔韧的纤维物质竟留存了下来，在显微镜下看起来，它与现代动物骨骼中常见的软组织如出一辙。而且与现代骨骼一样，这种组织中似乎填充着许多血管、血细胞和长链状的胶原蛋白——让笨重的生物体保持整体性的“生物胶水”。

含有软组织的化石很稀少但也绝非没有先例。1910—1925年间，在加拿大不列颠哥伦比亚省的落基山脉中发掘出了伯吉斯页岩化石（Burgess Shale fossil）。化石保留了大量惊人的细节，非常详实，其中的生物生活在约6亿年前的寒武纪，化石成形时它正在海洋中游曳。无独有偶，在德国索伦霍芬采石场出土的带羽毛的始祖鸟也非常著名，该鸟生活在距今约1.5亿年前。

但是，这些传统的软组织化石只保留了生物组织的“印象”，而非实际的“物质”，而从施魏策尔的酸浴中留存下来的似乎就是恐龙的软组织本身。2007年，施魏策尔将其发现发表在著名的《科学》杂志上，一开始，她的文章让人很吃惊，也受到了相当程度的质疑。虽然，生物分子能穿越数百万年的时空而保存下来确实让人震惊，但这个故事中后来发生的事情才是本书关注的重点。

为了证明纤维结构确实是由胶原蛋白构成的，施魏策尔先是演示了能附着在现代胶原蛋白上的蛋白同样也能附着在从古老的骨骼中发现的纤维上。作为终极测试，她又将恐龙组织与胶原蛋白酶混合，这种酶正是众多“生物分子机器”中的一员，能够组成和解构动物体内的胶原蛋白纤维。仅仅几十分钟之内，紧密结合了6 800万年的胶原蛋白链就被该酶破坏了。(www.xing528.com)

酶是生命的引擎。也许有些我们耳熟能详的酶类，其日常用途看起来似乎很平凡，比如在一些所谓的“生物”洗涤剂中添加的蛋白酶能洗去污渍，果酱中的果胶酶能使果酱凝结，牛奶中加入的凝乳酶能让牛奶凝结成为奶酪。我们或许还要感谢我们的胃与小肠中的多种酶类在消化食物时扮演的重要角色。但对于自然中的“纳米机器”，这只是些微不足道的例子。无论是“原始汤”中涌现的第一群微生物，还是穿越侏罗纪森林的恐龙，抑或是直到今日还存活的每一种生物，所有的生命都依赖酶。

我们体内的每一个细胞中都填充着数百甚至数千个这样的“分子机器”，无时无刻不在“帮助”细胞组装和回收利用生物分子，使之持续不停地运转下去。这个过程，就是我们所说的“活着”。

此处，“帮助”是描述酶类行为的关键词：它们的工作就是加速（催化）所有生化反应，否则，这些生化反应会变得极其缓慢。因此，洗涤剂中的蛋白酶加速了污渍中蛋白质的分解，果胶酶加速了水果中果胶的分解，而凝乳酶则加速了牛奶的凝结。与此类似，细胞中的酶类加速了我们的新陈代谢：在此过程中，我们细胞内数以兆计的生物分子持续地转化为数以兆计的其他生物分子，让我们能够活着。

施魏策尔加在恐龙骨骼上的胶原蛋白酶只是诸多“生物机器”中的一种，该机器在动物体内的日常工作就是分解胶原蛋白纤维。通过比较两个反应的时间——没有加酶时胶原蛋白自身分解消失的时间（很明显，要大于6 800万年）与加入恰当的酶后胶原蛋白分解的时间（大约30分钟）——我们可以粗略地估计酶让反应变快的比率：这是1012倍的差别。

在本章中，我们将会探讨胶原蛋白酶之类的酶是如何以天文数字般的倍率加速化学反应的。近年来，科学探索的意外收获之一就是量子力学至少在某些酶的作用中起着关键作用。因为酶对生命至关重要，所以就让它们成为我们探索量子生物学之旅中停靠的第一站吧。