细胞如此拥挤，却又如此井井有条

2018年7月5日　　来源：宇宙自然生命简史　作者：汪诘　提供人：beibeicao0......

首先是一个更正，上期节目我说卵子比精子大 25 万倍，抱歉，我弄错了直径和半径，导致计算结果错误。应该是 3 万倍，而不是 25 万倍，特此更正。感谢为我纠错的孙耀辉朋友。我们今天继续来讲细胞。

细胞被比喻为很多种东西，从“一个复杂的化学工厂”到“一个拥挤的大都市”。但是，类比都是科普的写作手法，永远不能真实完整地反应事务的全貌。这些比喻也不例外，它只能帮助我们建立一定的概念，当然好过完全没有概念。说它像一个工厂，是因为里面确实进行着大规模的化学活动；说它像一个都市，是因为里面拥挤不堪，忙忙碌碌，充满着各种互动，看似混乱和随机，实则自成体系。但是，细胞却比你看到过的任何一个工厂和大都市都要更加奇特。

首先，在细胞内部，根本没有什么上下之分（重力对细胞大小的东西几乎不起作用），它的每一处原子大小的空间都被充分地利用。活动无处不在，电流四处流动。你可能感觉不到可怕的电流，但你确实带着电。我们吃入的食物和吸入的氧气都会在细胞中激发电流。之所以我们不会互相电到，也不会一屁股把沙发给烧焦了，只是因为这一切发生的规模极小。电压只有 0.1 伏，传输的距离只能用纳米来计算。我们平常用的电池的电压一般是 1.5 伏，巧的电池和细胞的英文单词都是 Cell。然而，如果把细胞等比例放大的话，那就相当于每米的电压高达 200 万伏，与一场雷暴的核心区域所带的电荷差不多。

你身上的细胞，不管大小和形状如何的不同，它们的基本组成都是一样的。它们都有一层外壳或细胞膜，有一个细胞核，里面包含着维持生命所必需的基因信息。在细胞膜和细胞核之间，有一片繁忙的空间，称为细胞质。细胞膜与我们大多数人想象的并不一样，它并不像一种要用针才能刺穿的耐久的胶状物质。相反，它们是由一种叫做脂质的脂肪物质构成的，用美国外科医生兼作家纽兰（Sherwin B. Nuland）的话说，更像是一种“轻度机油”。如果你觉得这听上去不太结实，请记住，在那么微小的尺寸上，事物的表现行为是非常不同的。对于任何分子大小的东西来说，水就像是重型凝胶，而脂质则硬得像钢铁。

假如你能走进细胞的内部，你未必会喜欢那里。现在让我们想象一下，把原子放大到一颗豌豆大小，那么相应地整个细胞就会成为一个直径 800 米的球体，相当于 40 个鸟巢体育场的大小，它被一种叫做细胞骨架（cytoskeleton）的大梁一样的复杂结构支撑着。在这里面，成万亿个物体，有的像篮球大小，有的像小汽车大小，全都像子弹一般呼啸而过。每一秒钟，你都会被来自四面八方的物体碰撞、撕扯上千次，根本找不到一个立足之地。即便对于本来就在里面长期居住的成员来说，细胞也是一个危机四伏的地方。每一条DNA平均每 8.4 秒就要被攻击或者破坏一次，一天就是上万次。攻击者是各种化学物质或别的一些东西，一不小心 DNA 就会被撕成碎片。所有伤口必须被迅速地缝合起来，否则细胞就会死亡。

插播一句，我在核实“每一条 DNA 平均每 8.4 秒就会被攻击一次”这个比喻的准确性时，发现《纽约时报》的一篇书评对这一段描写大加赞赏[1]，称赞这个描写很具有表现力。但《纽约时报》同时也指出，《万物简史》中作者经常提到，构成蛋白质的是 22 种天然氨基酸。而事实上，植物中发现了超过 200 种其他的氨基酸。作者提到的 22 种氨基酸仅仅是组成生物有机体蛋白质分子的那些氨基酸。我后面提到氨基酸时，也是这个意思，这里提前打好预防针。

蛋白质非常活跃，它们不停地旋转、飘动和飞舞着。大部分酶本身也是一种蛋白质，它们四处横行，一秒钟可以做完1000件任务，就像是被加快了速度的工蚁。它们忙于建造和重建分子，为这个减去一小块，为那个增加一小块。有一些酶监控着路过的蛋白质，为那些遭到致命损坏或有缺陷的蛋白质标上化学记号。这些蛋白质会重新形成一种叫蛋白酶的结构，然后它们被分解，有效成分会再次结合生成新的蛋白质。有些蛋白质存活的时间还不到半小时，有些则能存活几周。但不论哪种，它们的生存方式都疯狂得让人不太敢相信。迪德夫说，“在分子世界里发生的一切，都快得令人难以置信，完全超出我们的想象，而且这些活动都是必要的。”

如果能让这一切都慢下来，慢到足以让我们能够观察的速度，事情也就不会看上去那么令人不安了。你将会看到，在一个细胞中，几百万个大小形状不一的物体，比如溶酶体、内吞体、配位体、核糖体等等，与另外几百万个物体相互碰撞，执行各种单调的任务：从营养物质中释放出能量，组合成某种结构，排出废弃物，抵御入侵者，收发信息，修修补补等。一个典型的细胞大约包含 2 万种不同类型的蛋白质，每一种蛋白质又至少包含 5 万个分子。细胞那么小，蛋白质更是微乎其微，可它们却在我们的身体中扮演着许多关键的角色。

蛋白质在细胞中完成大部分的工作，这些复杂的工作是人体组织和器官运行和调节所必需的。据估计，人体有能力产生 200 万种不同类型的蛋白质[2]，由 20000-25000 个基因编码而成。生物有机体中的蛋白质总数超过了 1000 万。虽然规模惊人，但人类对此的研究仍然还处在非常初级的阶段。纽兰解释说，“这意味着，每一个细胞中的蛋白质分子数都不会少于 1 亿个。这一令人震惊的数字，可以让你对我们体内生物化学活动各种物质蜂拥而上的巨大规模有一个概念。”

所有这些活动都需要巨大的能量。为了给细胞提供新鲜的氧气，你的心脏就得不停地泵出血液。一个成人平均每分钟的静态心律，也就是不活动时的心率，大约是 70 跳。心脏每跳动一下，就会泵出 60-90 毫升的血液，大概也就是不到一杯酸奶的量。但是你千万不能小看了心脏，累积起来，数量是惊人的，你的心脏一天会泵出大约 7600 升的血液，一年约为 270 万升[3]，这差不多能填满一个奥运会标准泳池了。这还只是人在普通状态下的量，运动时的泵血量会提高到静态时的 6 倍。

氧气会被细胞中的线粒体利用，线粒体是细胞中的发电站，平均来说，一个细胞中包含着 1000 多个线粒体。当然，细胞的功能和所需的能量不同，线粒体的数量也会有很大的差异，比如红细胞中不存在线粒体，而肝细胞中的线粒体数量则在 2000 个左右[4]。你可能还记得，我之前的节目提到过线粒体，它们被认为最初来自被俘获的细菌，现在是细胞中的寄居者。它们保有着自己独有的基因信息，按自己的时间表分裂，使用自己的基因语言。我们的健康拜它们所赐。原因就在于，进入你身体中的几乎所有食物和氧气，经过一番处理，最终都会被输入进线粒体中，在那里被转化成三磷酸腺苷分子，这就是 ATP。

你可能没有听说过 ATP，但正是它让你的身体保持正常运转。ATP 分子实质上就是一节小小的电池，它在细胞内移动，为细胞的所有活动提供能量。在任何时刻，你的身体中都会有 10 亿个 ATP 分子，每 1-2 分钟[5]，这些 ATP 分子的能量都会放光，又会有另外 10 亿个 ATP 分子取代它们。你的身体在一天之中产生和利用过的 ATP 分子总数加起来，相当于你身体一半的重量。感觉一下你皮肤的温热，那就是 ATP 正在工作呢。

当细胞不再被需要时，它们以堪称高贵的方式死去。它们拆下支撑自己的支柱，默默吞噬掉自己的组成部分。这个过程被称为细胞凋亡或程序化细胞死亡。下面的数字可能会让你感到惊讶。你作为一个普通成年人，每天会死去 500-700 亿个除红细胞以外的细胞[6]。相对地，你就会产生 500-700 亿个新细胞来弥补。那么红细胞呢？每一秒钟，我们都会失去 250 万个红细胞，别紧张，我们身体里随时都储备着 30 万亿个红细胞[7]，也就是相当于 3 亿个细胞中失去了 25 个，千万分之一的量级，显得微不足道了。我们补充的速度也是惊人的，失去多少就能差不多补回多少。把这两项的数字相加，我们每天要新生成 2200-2400 亿个新细胞。突然有一种我竟然是这么神奇的存在的感觉。还有值得一提的是，每一天，你身体中数千亿的细胞为了你的健康而死亡的时候，还有数千亿的细胞为你清理它们的遗体，它们似乎在默默执行着一套颇为体面的程序，还挺有仪式感的。细胞也有可能暴死，比如当你受到感染时，这种情况就会发生。但绝大多数是按照指令正常死去。实际上，细胞只要没有收到继续活着的指令，也就是由其它的细胞发出的活动指令，它们就会自杀。

在很偶然的情况下，一个细胞没有依照指令终结自己的生命，而是开始了野蛮的分裂和繁殖，我们把这种结果称为癌症。癌细胞其实就是行为错乱的细胞，这样的错误经常会发生，但是我们人体有一种极为复杂的纠错机制，只有在极其偶然的情况下，细胞的行为才会失控。 2012 年 12 月，美国威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员就在人类细胞中新发现了一种细胞分裂形式。研究人员表示，这种形式在缺陷细胞分裂的过程中起着自然备份的作用，可以阻止一些正常细胞向癌细胞转化[8]。平均而言，每 10 亿亿次细胞分裂才会让人遭受一次致命的疾病。从概率的角度而言，罹患癌症实在是一种坏运气。

恐怕比患上癌症更让人觉得恐怖的就是癌细胞扩散了，这些年对此的研究也一直在获得进展。和大家分享其中的一则。2017 年 7 月，宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的研究人员有了一些新的发现[9]。他们的研究试图搞明白为什么某些类型的乳腺癌比其他类型的对人体的侵略性更强。我们知道，除了癌细胞外，人类的肿瘤中还含有一些正常的细胞，比如成纤维细胞和各种免疫细胞。但是，狡猾的癌细胞会把这些正常细胞也拖下水，来达到肿瘤变大、转移的目的，还会一起抵抗治疗。经过研究发现，肿瘤内的某些成分能够模拟类似病毒的作用。可是在大多数情况下，这些肿瘤内并不存在病毒感染。所以，是有一种物质，起到了病毒的作用，但又不是病毒。

随着研究的深入，研究人员发现，癌细胞会指示成纤维细胞（也就是我刚才说过的肿瘤内正常的细胞）分泌外泌体，这些外泌体富含一种特定的 RNA，它具有类似于病毒 RNA 的特殊末端。在乳腺癌细胞的指导下，这种 RNA 会欺骗细胞对外泌体做出如同病毒感染一样的响应。研究人员发现某些参与研究的乳腺癌患者的血液中富含这种与病毒类似的物质，尤其在某些重症患者中这种物质很常见，可以说，它就是癌细胞胁迫正常细胞就范的帮凶。现在，研究人员希望锁定这种物质，开启治疗的一扇新大门。相关研究成果发表在了著名的《细胞》杂志上。

说回普通的细胞。细胞让人啧啧称奇的不是它偶尔会出错，虽然这也是事实，但真正让人惊叹的是，它把一切都打理得井井有条，一干就是几十年甚至上百年。它们的行动很周密，能做到这一点靠的就是源源不断地发出并监视着来自全身的信息流，想想看这得有多嘈杂吧，信息流涵盖了指令、查询、纠正、寻求协助、更新、分裂或到期的通知，凡此种种，细胞却能做到无一遗漏。大多数的信号都通过激素来传递，荷尔蒙由此成了细胞的快递员，勤劳的快递小哥有胰岛素、肾上腺素、雌激素、睾酮，他们最远是从甲状腺和内分泌腺的农郊地区赶来的。除了快递，其他信息是发电报送来的，电报员则是我们的大脑，有时电报也会来自区域中心，不从大脑而从区域中心发报的方式被我们称为“旁分泌信号”。最后，细胞还会直接和邻居们沟通，事无巨细地确认所有行动都协调好，不出错。

最厉害的地方在于，这看上去完全就是细胞信手拈来不费吹灰之力就做成的事情，靠的貌似就是相吸或相斥的元素规则，根据这个规则，大家各行其道。细胞行动的背后并不存在“思考”。它所有的行动都不需要我们去操心，一切平稳有序，日复一日。所达成的绝不仅仅是细胞内的秩序，而是我们作为生命体内部完美的和谐。我们对此的了解刚开了个头，我们只知道是数不清以兆亿为单位的反射性质的化学活动，造就了一个灵活的、会思考的、擅长做决定的人。好吧，虽然金龟子没我们厉害，但组成它的细胞原理也差不多，内在管理也挺有序的。只能说，我们该记住，每一个生物都是原子工程学的奇迹。实际上，有一些我们认为很原始的生物，它的细胞组织让人类的细胞组织都相形见绌。比如海绵，把它的细胞分离开来（这不难，我们使用一种过滤器就可以做到这点），再把它们倒入溶液中，它们会自动重新结合，又变成海绵。哪怕你不断地重复这个过程，它们也能一次次地重生。这是因为，它们有一种强烈的意愿，这也是包括你我在内的所有生物所共同拥有的愿望：活下去。

而这一切都是因为一种神奇又神秘的分子结构，而这种分子本身并无生命，它们的大部分也不做任何事情，但它是当之无愧的宇宙奇迹。这就是 DNA。为了让你了解DNA对我们以及生命科学的重要性，我们需要回到 160 多年前尚处于维多利亚时期的英国，回到博物学家达尔文想出“史上最了不起的创见”的那一刻。但是，这个最了不起的创见却在抽屉中一锁就是 15 年。预知后事如何且听下回分解！

细胞如此拥挤，却又如此井井有条

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