第六章 运动力量与荣耀2（第2页）
肌球蛋白与驱动蛋白这两种最主要的马达蛋白，从基因序列上面来看，几乎没有相似之处。其中某些序列或许相同，但是长久以来科学家都认为那只是巧合或趋同进化的结果。确实驱动蛋白和肌球蛋白看起来很像典型的趋同进化产物，也就是说，两个本来毫无关联的蛋白质因为负责类似的工作，结果慢慢特化发展出类似的结构。就好像蝙蝠和鸟，也是为了适应飞行，各自独立发展出翅膀。
后来，X射线晶体学解开了两个蛋白质的三维立体结构。基因序列告诉我们的是二维的线性字母序列，如同歌词但是没有音乐。晶体学给我们展示的是蛋白质的三维空间结构，就好像完整的歌剧。德国音乐大师瓦格纳曾说过：（歌剧的）音乐应当去配合歌词的要求，而不应让歌词来将就音乐。但是现在不会有人因为那些日耳曼式歌词而记得瓦格纳，流传下来的反而是他的音乐，启发了后代的音乐家。同样，基因序列就是大自然的文字，而真正的蛋白质音乐却藏在它的形状之中。是蛋白质的形状通过自然进化的考验，才能存活下来。自然进化才不管基因序列，自然进化在乎的是功能。虽然说基因决定功能，但是功能却必须用一套我们还不清楚的蛋白质折叠规则，把蛋白质折出特定形状才能执行。因此，很多基因有可能因为分异太久太远，以至于在序列上完全没有相似性，这就是肌球蛋白和驱动蛋白。但是藏在蛋白质深处的音乐还在，有待晶体学来揭露。
根据晶体学，我们现在知道肌球蛋白与驱动蛋白，尽管基因序列差异甚大，但确实来自共同祖先。从它们的三维结构来看，许多蛋白质折叠法与结构都相同，许多关键点的氨基酸也都被保存下来，在空间上朝向同一个方向。这是进化的不可思议之处，经过好几十亿年，尽管蛋白质的成分甚至是基因序列都被时光改得面目全非，但是相同的模式、相同的形状、占据相同的空间——这一切细节却从原子等级上被保留下来。这些形状上的相似性清楚地指出，肌球蛋白和驱动蛋白是来自细菌祖先里的一个蛋白质大家族[8]。这些祖先确实也从事某种和运动或力量有关的工作（它们今天还是做同样的工作），比如说从一个构型转换成另一个构型，但是没有一个细菌蛋白质有移动能力。X射线晶体学让我们看清蛋白质骨架，如同X射线让我们看清鸟类的翅膀结构一样。就像翅膀祖先的骨骼与关节结构清楚地指出它们来自没有飞行能力的爬行类前肢，马达蛋白的结构也清楚地显示它们来自可以变化形状，但还没有移动能力的蛋白质祖先。
晶体学研究也告诉我们细胞骨架进化有趣的一面。这些由肌动蛋白和微管蛋白所组成、高悬于四处的缆线十分让人费解。你一定想问，为什么细胞会想要进化出这些高架缆线或马达蛋白的快速道路？一开始还没有这些蛋白质汽车呀，这岂不本末倒置？其实不然，因为细胞骨架本身自有用处。它们的价值来自它们的形状。所有真核细胞的形状，从细长的神经细胞到扁平的内皮细胞，都靠这些细胞骨架微丝来维持。而后来我们发现细菌也差不多。长久以来生物学家都认为细菌的各种形状（杆菌、螺旋菌、弧菌等），是因为它们有坚硬的细胞壁。因此后来在20世纪90年代中发现细菌也有细胞骨架时，着实让大家吃了一惊。这些骨架由类似肌动蛋白与微管蛋白的细纤维构成，可以帮助细菌维持各种精巧的形状。（如果让这些细胞骨架突变的话，原本形状复杂的细菌就会成为最简单的球状。）
就像刚刚提过的马达蛋白一样，细菌与真核细胞的骨架蛋白在基因上也很少有相似处。不过在世纪交替之际，科学家利用晶体学，解出细菌骨架的三维立体结构，结果比马达蛋白的更让人吃惊。细菌与真核细胞的骨架蛋白质，在结构上可以完全重叠，它们有一样的形状，占据相等的空间，在少数关键位置上的关键氨基酸完全相同。很明显，真核细胞的骨架来自细菌的同类蛋白质，形状与功能都被保存下来。两者如今在维持细胞形状上都十分重要，而且功能的相似不止于此。这些骨架与我们坚硬的骨骼不同，它们具有动力而且随时自我重组，如同捉摸不定的云，会在暴风雨天忽然聚集成群。它们可以施展力量，移动染色体，可以在细胞分裂时把细胞一分为二。此外，在真核细胞里它们还可以帮助细胞移动，完全不用借助任何马达蛋白。换句话说，细胞骨架自己就可以运动，这是如何办到的？
肌动蛋白纤维和微管蛋白纤维都是由重复的蛋白质子单元自动接成一条长链，或称为聚合物。这种分子聚合能力并不罕见，像塑料也是由简单的基本单元不断重复，组合成一条永无止境的分子长链。细胞骨架稀奇的地方在于，这些结构在新加入的单元和分解出来的单元之间存在一种动态平衡，不断有新的单元接上去，旧的单元解下来，永无休止。结果就是细胞骨架永远在自我重组，堆起来再拆开。神奇的地方在于，这些新单元永远只能接到一端上（它们堆起来的方式很像乐高积木，或者更像一叠羽毛球），然后只能从另一端分解。这种性质让细胞骨架产生推力，下面我来详细解释。
如果这条纤维从一端加入和从另一端分解的速度一样的话，那么这个聚合纤维的整体长度就不会变，但在这种情况下，纤维看起来像是往添加单元的方向移动。如果碰巧有物体挡在路中间的话，那这个物体就会被往前推。不过事实上，这个物体并不是被纤维推动的，这个物体其实是被周围自由运动的分子随意推挤，然后每次推挤，都会在物体和纤维顶端之间产生一点小空隙，如此一来，新的纤维单元就可以挤进来结合上去。通过这种方法，生长中的纤维可以阻止物体被推回来，因此整体来说是那些随意推挤的力量把物体往前推。
或许这种运动最明显的实例，就是当细胞受到细菌感染，骨架系统被搞乱的时候。比如说造成新生儿脑膜炎的李斯特菌，会分泌两到三种蛋白质，合在一起劫持细胞的骨架系统。如此一来，细菌就可以在被感染的细胞里面四处游走，在细菌后面就有好几条不断合成又分解的肌动蛋白纤维在推动，让细菌看起来像带着尾巴的彗星。一般认为当细菌分裂时，染色体和质粒（细菌的环状DNA）分开的过程也会发生这种运动。类似的过程也在变形虫体内发生（同时也会在我们的免疫细胞比如巨噬细胞体内发生）。细胞所伸出的延伸结构或称伪足，也是被这种不断合成又分解的肌动蛋白纤维所推动，完全无需复杂的马达蛋白参与其中。
运动的细胞骨架听起来好像和魔术一样，但是根据美国哈佛大学的生化学家蒂姆·米奇逊的看法，这一点也不稀奇。这一切现象的背后，只是非常基本的自发性物理反应，完全无需任何复杂的进化。本来没有结构功能的蛋白质，有时候也会因为某种原因突然聚合起来形成大型细胞骨架，可能产生推力，然后又快速地分解回复到原始状态。这种现象听起来似乎十分危险，也确实在大多数的情况下是有害的。以镰刀型细胞贫血症为例，当氧气浓度低的时候，突变的血红蛋白会自动在细胞里聚合成网状结构。这种改变导致红细胞变形，让它变成镰刀状，病名由此而来。不过换句话说，这种聚合也是一种力与运动。当氧气浓度上升时，这些失常的细胞骨架会自动分解消失，让血红蛋白回复到原来的圆盘状。这也算是某种动态的细胞骨架，虽然不是很有用。[9]
很久很久以前，相同的事情一定也发生在细胞身上。肌动蛋白纤维与微管蛋白纤维的子单元，原本是其他蛋白质，在细胞里面做着其他工作。偶尔结构上面的小小改变，让它们有自动聚合成纤维的能力。这就像血红蛋白能突变一样，但是和镰刀型细胞贫血症的不同之处在于，这种变异应该有立即可见的好处，因此自然进化选择了它。这个立即可见的好处或许和运动没有直接关系，甚至没有间接关系。事实上，镰刀型血红蛋白也是在疟疾流行的地区被选择出来的，因为只有一个基因变异，才对疟疾有抵抗力。因此尽管需要忍受长远而痛苦的后果（镰刀型红细胞因为没有弹性，所以会堵塞微血管），自然进化还是把这个自发进行且不受欢迎的细胞骨架保留下来了。
所以这了不起的运动性，从最简单的源头到骨骼肌所展现的各种壮观的威力，都依赖于一小群蛋白质与它们无数的变奏曲。今天科学家要解决的问题是，剔除所有华丽的变奏曲，让最原始的主题展露出来，要找出最初最简单的合唱。该问题是现在领域里最令人兴奋却也最多争议的研究题目之一，因为最原始的曲调由所有真核细胞之母所吟唱，那是大约20亿年前的事了。想从如此遥远的时间长河中只利用回音去重组原始旋律充满了困难。我们不知道这个真核细胞祖先如何进化出运动性。我们也不知道细胞之间的合作关系（共生）是否占有决定性的作用，就像马古利斯长久以来认为的那样。或者细胞骨架是从宿主细胞现存的基因中进化出来的。有一些很有趣的谜题如果可以解开的话，应该会为我们指出一条明路。比如说当细菌分裂的时候，细菌用肌动蛋白纤维把染色体拉开，用微管把细胞拉紧，一分为二。但在真核细胞体内两者正好相反。真核细胞分裂时，拉开染色体的纺锤体由微管组成，收缩阶段拉紧细胞的是肌动蛋白纤维。如果我们可以知道这种反转如何发生，又为什么发生，那应该会对地球上生命的历史有更透彻的了解。
对于科学家来说，这些细节问题极具挑战性，而我们已经大致了解了整体图像。我们知道细胞骨架和马达蛋白，是从哪些蛋白质祖先进化而来。至于它们来自共生的细菌，或者来自宿主细胞本身，两者都有可能但关系不大。如果有朝一日我们解答了这些问题，那么现代生物学的基础就更加屹立不倒了。目前有一件事情是确定不疑，那就是如果缺乏运动的真核细胞——也就是不会四处移动、没有动态细胞骨架和马达蛋白的真核细胞，真的曾经存在的话，那么它应该早在盘古时代就灭亡了，如同它的祖先一般。所有现存真核细胞的共祖是可以运动的，这表示运动应该为细胞带来极大的好处。由此观之，运动的进化不只长远改变了生态系统的复杂性，还帮助地球改头换面，让地球从一个由细菌主宰的简单世界，变成现在我们眼前丰富多样的神奇世界。
[1]克罗尼是英国皇家学院的创始会员之一，后来以他名字命名的克罗尼讲座（年度荣誉讲座），是生物科学最重要的讲座。
[2]丘吉尔有句名言是这么说的：“创造历史最好的方法就是改写历史。”他的权威著作也为他赢得了1953年诺贝尔文学奖。上一次历史文学拿到文学奖是什么时候呢？
[3]佩鲁兹和肯德鲁两人首先解开的是抹香鲸的肌动蛋白构造。选这个蛋白质做研究似乎很怪，其实这样的选择是有原因的，因为人们知道在捕鲸船甲板上的血块与血迹中找到过这个蛋白质结晶（在深海潜水的哺乳类动物如鲸鱼的肌肉里，该蛋白的浓度非常高）。蛋白质会结晶这种特性非常重要，因为要用结晶学解析结构，样品一定要形成某种形式的结晶，或至少有重复的构造。
[4]不同的肌肉其实含有不同纤维的混合物。快缩肌纤维依赖无氧呼吸提供能量，虽然快速但是很没效率。这种肌纤维收缩很快（含较快的肌球蛋白），但是也很快疲劳。它们也不怎么需要毛细血管、线粒体或肌红蛋白，而这些都是有氧呼吸所需要的装备。缺少这些构造让肌肉呈现白色，这是白肉形成的原因。慢缩肌纤维主要分布在红肉中，依赖有氧呼吸（含较慢的肌球蛋白）。它们收缩较慢，但是也不易疲劳。
[5]这里的描述其实有点过度简化了：两者基因序列相似性只有80%，但是氨基酸序列的相似度却高达95%。造成这种现象的原因，是因为许多不同的密码都可以转译出相同的氨基酸（详见第二章）。这种差异所反映的，就是基因突变搭配上强力维持原始蛋白质序列的自然进化作用所产生的结果。看起来唯一被自然进化所允许的突变，就是那些不会改变蛋白质里氨基酸的突变。这只是另外一个告诉我们自然进化确实在作用的小例子。
[6]当然，这种改变实际上也会反过来发生：前进马达最后变成粗肌丝纤维。这或许解释了为何肌肉中的每个肌球蛋白分子仍有两个头，尽管它们似乎没有充分地协调运作。
[7]细菌也会四处移动，不过是用鞭毛，这和真核细胞不同。基本上鞭毛就像葡萄酒开瓶器的螺旋钻头，由马达蛋白质绕着轴心不停旋转驱动。细菌的鞭毛也常被用来说明“不可还原的复杂”这个概念，但是关于“不可还原”的问题已经在别的地方被反驳了，所以我就不在此赘述。（译注：“不可还原的复杂”是基督教对进化论的批评，他们主张生物某些复杂的器官完全没有简化的可能，所以不可能是进化的产物。）如果你想更深入地了解鞭毛，请参阅肯·米勒所写的《脱缰的鞭毛》，他是位卓越的生化学家，也是智能设计运动的天敌，更是位虔诚的天主教徒。对他而言，相信生命中分子的运作机制可以用进化解释，与相信神之间完全没有冲突。米勒认为智能设计论者是双重失败者，“在科学上失败，因为他们违背了事实；在信仰上失败，因为他们小看了上帝”。
[8]准确地说，它们是G蛋白，这是一大家族的蛋白转换器，负责给细胞传递信息。在细菌体内的亲戚则叫作GTP酶蛋白。这些蛋白质的名称并不重要，这里我们只要知道已经找到它们的祖先即可。
[9]另外一个一样没用的例子是牛海绵状脑病，大家比较熟悉的名称是疯牛病。疯牛病是由朊蛋白引起的传染性疾病，也就是说，蛋白质本身就是传染颗粒。这些蛋白质具有改变周围其他蛋白质形状的能力。周围的蛋白质形状一旦被改变，就会聚合在一起形成一长条纤维，也可以算是某种细胞骨骼。过去我们都认为朊蛋白只会致病，但是近来的研究却显示，有些“类朊蛋白”可能与长期记忆以及大脑里面的突触形成密切相关。