第六章 运动力量与荣耀2（第1页）
第六章运动——力量与荣耀2
虽然肌球蛋白消耗ATP的速度决定了肌肉收缩的速度，但是肌肉要停止收缩不等于要耗尽所有的ATP，否则我们每次去健身房，肌肉大概都会变得像僵尸一样，需要被抬回家。事实上，我们的肌肉是会疲劳的，这似乎是为了避免僵直而产生的适应能力。决定肌肉开始和结束收缩的是细胞里面的钙离子浓度，也正是这些离子，把肌肉收缩和伽伐尼的动物电流串联在一起。当一个神经脉冲传过来时，会很迅速地沿着微管网络扩散，并把钙离子释放到细胞里面。接下来发生一连串的步骤我们不必在意，总之最后钙离子会让肌动蛋白纤维与横桥的结合点打开，这样一来，肌肉就可以开始收缩。不久之后，细胞里面充满了钙离子，钙离子通道就会关闭，然后离子泵开始运作，把所有的钙离子打到细胞外面，以便让细胞回到初始的待命状态，准备迎接下一次任务。等到细胞里的钙离子浓度降低，肌动蛋白纤维上的结合点就会关闭，摇摆的横桥就无法与之结合，肌肉收缩因此中止。具有弹性的肌节很快就会回复到原本的放松状态。
当然这个描述其实极度简化了肌肉运作的机制，简化到了近乎荒谬的地步。随便翻开任何一本教科书，你都可以找到一页又一页的详细描述，一个蛋白质接着一个蛋白质，每一个都有精细的结构或调节功能。肌肉生化学的复杂程度相当吓人，但是潜藏在背后的原理极度简单。这一简单原理并不只是帮助我们了解肌肉的工作方式，事实上，也是复杂生物进化的核心。在每一个不同物种身上的不同组织中，调控肌球蛋白与肌动蛋白结合的方式各不相同。生化细节上的差异，宛如巴洛克教堂上面的洛可可风装饰，每一座教堂单独来看，其装饰繁复，都让教堂显得极其独特精致，但是它们都是巴洛克教堂。同样，即使各种肌肉的功能在细节差异上有如洛可可风装饰，但是肌球蛋白还是接在肌动蛋白上面，而且永远都接在同一个位置，而ATP则一直扮演推动纤维滑动的角色。
比如对于平滑肌来说，它让括约肌与动脉收缩的能力，曾经让鲍曼和他维多利亚时代的同行感到非常困惑。平滑肌虽然没有骨骼肌的横纹，但仍是靠肌动蛋白与肌球蛋白收缩。平滑肌的纤维排列极为松散不具备明显的秩序。其肌动蛋白与肌球蛋白的作用机制也相对简单，钙离子流会直接刺激肌球蛋白的头部，而不必绕那些骨骼肌里的远路。但是在其他方面，平滑肌和骨骼肌收缩的方式则非常类似，两者都是靠肌球蛋白与肌动蛋白结合来收缩，一样的循环，且都依赖ATP提供能量。
平滑肌这种简化的收缩版本，暗示了它有可能是骨骼肌进化路上的前辈。平滑肌就算缺少复杂的显微结构，仍是有收缩功能的组织。然而根据不同物种肌肉蛋白质的研究结果显示，肌肉的进化没我们想的那么简单。日本国立遗传学研究所的两位遗传学家斋藤成也与太田聪做过一项严谨的研究，结果显示哺乳动物骨骼肌里面的蛋白质和昆虫用来飞行的横纹肌蛋白质极为相似，暗示两者必定是从脊椎动物和无脊椎动物的共祖身上继承来的，这个共祖大概出现在6亿年前。这个共祖就算还没有骨骼，也必定进化出横纹肌了。而平滑肌情况差不多，也可以追溯到相同的共祖身上。所以平滑肌并不是复杂横纹肌的进化前身，它们两者走的是不同的进化路线。
这是一个值得注意的事实。我们身上骨骼肌里的肌球蛋白和在家里面四处乱飞的苍蝇所用肌球蛋白关系十分亲近，比那些控制你消化道的括约肌里的肌球蛋白还要亲。更惊人的是，横纹肌与平滑肌分家的历史还可以追溯到更久以前，可以早到对称动物出现之前（脊椎动物和昆虫都是对称动物）。水母似乎也有和人类类似的横纹肌肉。所以尽管横纹肌和平滑肌都利用类似的肌球蛋白与肌动蛋白系统，但是这两个系统，似乎是从同一个既有平滑肌又有横纹肌的共祖身上，独立进化出来的。这个共祖属于最早出现的动物之一，在那个时候水母大概就算是进化创作的巅峰了。
尽管横纹肌与平滑肌的进化历史超出预期，但是可以确定的是，众多变化万千的肌球蛋白都有同一个共祖。它们的基本结构都一样，都会和肌动蛋白以及ATP结合，而且结合在相同的位置上。它们也都执行一样的机械循环。如果说横纹肌和平滑肌的肌球蛋白来自相同的共祖，那么这个共祖应该比水母还原始，它可能既没有平滑肌也没有横纹肌，但是已经有肌动蛋白和肌球蛋白，只不过被拿来做别的事。会用来做什么呢？答案其实一点也不新鲜，早在20世纪60年代就已经被发现了，而且源自一个意外。尽管这个发现算是老古董，然而在生物学里很少有发现可以像它这样有远见，一下子就为肌肉的进化历史打开一扇大窗。它是赫胥黎通过电子显微镜发现的，肌球蛋白的头可以“装饰”到肌动蛋白纤维上。下面让我解释得详细一点。
各类肌肉纤维都可以被提取出来，然后分解为子单元。以肌球蛋白为例，它的头可以和尾巴分开，然后在试管里和肌动蛋白结合。而肌动蛋白呢，只要放在适当的环境中，它会很快地结合成长条纤维，聚集是肌动蛋白的天性。肌球蛋白的头会接到肌动蛋白纤维上，就如同在肌肉里一样。这些头排列在肌动蛋白纤维上宛如一个个小箭头，而且所有箭头都朝向一个方向，表示肌动蛋白具有极性。肌动蛋白只会用一种方式组合，而肌球蛋白永远只会接在同一个方向上，这样才能产生力量。（在肌节里，肌动蛋白聚合方向会在中线处反过来，让两边往中间拉，一整段肌节成为一个收缩单位。每一个相邻的肌节收缩，结果造成肌肉整体收缩。）
这些小箭头只会接在肌动蛋白纤维上，完全不会与其他蛋白质作用，因此我们可以在其他细胞里加入肌球蛋白的头，用来检验是否含有肌动蛋白。在20世纪60年代以前，所有人都假设肌动蛋白是肌肉特有的蛋白质，可以存在于不同物种的肌肉细胞里，但是不可能出现在其他细胞中。然而生化学的研究结果挑战了这一常识，因为研究发现最不可能有肌肉的生物，也就是我们用来烘焙的酵母菌，也可能含有肌动蛋白。用肌球蛋白的头去找肌动蛋白纤维这样一个简单实验，像打开了潘多拉的盒子一样揭露了许多真相。赫胥黎是第一个打开它的人，他从黏菌中提取出肌动蛋白，然后加入兔子的肌球蛋白，结果发现两者可以完美结合。
肌动蛋白无所不在。所有复杂细胞里面都有肌动蛋白构成的骨架，称为细胞骨架（见图6。3）。我们体内所有的细胞，动物、植物、真菌、藻类、原虫等，全部都有肌动蛋白构成的细胞骨架。从兔子肌球蛋白可以和黏菌肌动蛋白结合这件事可以看出，不同物种差异极大的细胞中，肌动蛋白纤维的构造非常相似。该结论正确，却也很令人不解。如今我们知道，酵母菌和人类肌动蛋白的基因相似度高达95%。[5]从这一事实来看，肌肉的进化变得非常不同。用来推动我们肌肉的纤维，其实也可以用来推动微小世界里所有的复杂细胞。它们真正的差异在于组织形式不同。
我很喜欢音乐中的变奏曲。据说有一次年轻的贝多芬在莫扎特面前表演，莫扎特听完之后，对他的演奏反应平平，但对他的即兴创作能力表示欣赏——他可以将一个简单的主旋律，变幻出无尽的曲调与节奏各异的版本。随后，该技巧让贝多芬创造出伟大的《迪亚贝利变奏曲》。贝多芬变奏曲的形式其实非常严谨，就如同在他之前巴赫的《哥德堡变奏曲》一样。他会维持基本的旋律不变，让整个作品可以立即辨认出来是一个整体。贝多芬之后，这种手法往往被作曲家丢弃，以便能够专注表达作曲家的情绪与想法，使作品缺乏数学的严谨。这让前人的作品听上去，隐藏着许多的细致差别，所有的可能性都被填满，作品的潜力发挥到极致。
音乐上既要求主旋律变幻出无限可能，又要求严格保持各结构组成的一致性，其实和生物学很像。比如说，肌球蛋白与肌动蛋白组成的这个主旋律，通过自然进化无止境的想象力，也产生了无限的变化，在结构和功能上都发挥得淋漓尽致。任何一个复杂细胞的内在小世界，都可以见证这些不平凡机构的严谨变奏。
图6。3 图为经过染色的牛肺动脉内皮细胞。细胞骨架主要由微管、微丝和中间纤维构成。
马达蛋白和细胞骨架微丝之间的交互作用，担负着让整个复杂细胞世界动起来的重大责任，不管在细胞里面或外面。许多细胞都可以在坚硬的表面上轻松滑行，完全不需要费力挥舞四肢或扭动身躯。还有一些细胞会形成伪足，可以延伸出去拖着细胞移动，或者用来捕捉猎物，然后吞入体内。此外还有细胞拥有纤毛或鞭毛，它们规律的扭动可以驱动细胞四处游走。在细胞内部，细胞质会产生漩涡，不断地将内含物运至四处。在这个小小世界中，像线粒体这样的巨大物体会横冲直撞，而染色体们则跳着它们的加沃特舞曲，然后慢慢各自退场。之后细胞中间位置开始收缩隔开，最终一分为二。所有这一切运动都仰赖细胞里面的分子工具，而肌动蛋白与肌球蛋白正是其中最重要的组成元素。而这一切运动只不过是相同旋律的各种变奏曲而已。
想象一下把自己缩小到ATP分子的大小，这样细胞看起来就像一座未来城市。用力伸长脖子四下看看，能看多远就看多远，你会发现这里到处都是让人头晕目眩的一排排缆线，这些缆线还又接着更多的缆线。有些缆线看起来脆弱又纤细，有些看起来十分粗壮。在这座细胞城市中，重力一点意义也没有，黏度才主宰一切，原子在四处随意碰撞。你可以试试在这里移动，你将会发现自己好像陷在一团浓稠的蜂蜜里一般动弹不得。忽然间，从这个纷乱的城市里冒出一台很特别的机器，像一对机械手交替运动，以缆线为轨道急速爬行。跟在后面的则是一个巨大笨重的东西，被这对手臂拖着飞驰而来。如果你碰巧站在路中间的话，可能会以为自己要被一座飞行发电厂撞上了。不过事实上也没错，这个疾驰而来的东西就是线粒体，它正要赶往城市的另一端去执行发电任务。现在再往四处看看，其实还有好多东西也都朝同一个方向移动，有些快有些慢，但是所有东西的共通处就是都被相同的机器拖着，沿着横跨四处的缆线移动。接着，在线粒体通过之后的一瞬间，你会觉得自己被一阵涡流刮走，你会跟着打转。这阵涡流搅拌着细胞里面的所有东西，被称为胞质环流。
这是从纳米科技的角度，去看一个我们平常从来没有想过的复杂世界。当然在这个怪诞的未来城市中，仍然有些东西是我们熟知的。我刚刚所描述的景象很可能就是你身体里面的某个细胞，当然也可能是一个植物细胞、一个真菌，或者是一个在你家附近池塘里游泳的单细胞原虫。在细胞的世界里面有一种惊人的共通性，让我们觉得周围的一切是如此相似，似乎都是相互关联的同类。从细胞的角度来看，你只是整个身体建造计划中的众多变异之一，只不过是用许多相似的积木，搭建同一物品的众多拼法之一。但这积木多了不起呀!每个喧闹的真核细胞迷你城市（真核细胞是带有核的复杂细胞，请见第四章），都和简单的细菌内部世界有极大的差异。这差异绝大部分要归功于大量的细胞骨架，以及四通八达的交通系统持续把细胞内的物质送往迎来。如果没有这些夜以继日运作的交通系统，所有的细胞城市将会瘫痪，就好像我们的大城市缺少主要干道一样。
所有细胞里面的交通都源自各式大同小异的马达蛋白。首先该提的就是那个在肌动蛋白纤维上跳上跳下的肌球蛋白，和它在肌肉里的运作方式一样。不过差异就是，在肌肉里肌球蛋白有90%的时间与肌动蛋白纤维分开，如果它们不这样做，而是持续不断地粘在纤维上的话，就会严重阻碍其他摇摆中的肌球蛋白横桥，就像在一艘长船上其中一位桨手故意不把桨抬离水面一样。在肌肉里可以如此长时间分离，因为肌球蛋白的尾巴会缠绕成粗肌丝，从而把肌球蛋白的头部拴在非常靠近肌动蛋白的地方。但是对于那些横跨细胞的各种缆线来说，可不能这样，因为一旦马达蛋白与缆线分开之后，它就会被撞飞，很难重新抓住缆线（不过在某些情况下，电力的交互作用可以把马达蛋白拴在离缆线不远处）。
比较好的解决办法是发展出一种“前进式”马达，一边接在缆线上，一边在缆线上移动（前进）。而蛋白质也这样做了，稍微改变一下肌球蛋白的结构，就可以把自己变成一个前进马达，可以稍微离开肌动蛋白纤维却又不至于完全分开。有哪些改变了呢？首先是肌球蛋白的头颈部要稍微延长一点。还记得在肌肉里面，两个肌球蛋白头部会紧紧靠在一起吗？那是因为从颈部到尾部都被缠住，但是除此之外这两个头部其实没有什么合作关系。现在我们稍微把颈部延长一些，让两个蛋白质头部不再靠那么紧，而多一点自由空间。这样一来，当一个头部粘在纤维上时，还有一个可以摇摆，因而造就了一种“手牵手”一步一步在纤维上移动的前进马达。[6]还有其他的变异版本，包含三个甚至四个头部连在一起。当然不论是哪一种变异版本，这些肌球蛋白头部都不会缠在粗肌丝纤维上，而是可以四处移动。最后，其他东西都可以通过“耦合”蛋白接在这些马达上，每种东西有专门的耦合蛋白。如此就有了一群前进马达，可以把细胞里的东西沿着肌动蛋白轨道运往四处。
这一群了不起的蛋白质是怎么出现的？在细菌世界里并没有可以相比的东西。不过，肌球蛋白配肌动蛋白也不是真核细胞里面唯一的双人配对工具。另一组马达蛋白叫作驱动蛋白，它作用的方法和肌球蛋白差不多，也是用手牵手的方式在那些横跨的细胞骨架上移动。不过驱动蛋白所对应的缆线并非肌动蛋白纤维，而是一条充满孔洞的管子，称作微管，其蛋白质单元称为微管蛋白。微管的工作很多，其中一项就是在细胞分裂的时候形成纺锤体，把染色体拉开。当然还有其他几种马达蛋白，不过我们无须继续花时间讨论。
所有马达蛋白与它们的高架轨道，其实在细菌里面都有雏形，不过不是那么显而易见，因为它们负责的工作不同。[7]X射线晶体学再度帮我们厘清这些蛋白质间的血缘关系，而如果只靠比对基因序列，恐怕永远也鉴别不出来。