第三节
原始细胞可以在自然条件下形成
生命的形成除了有机分子以外，还需要一个重要的条件，就是这个系统必须与环境分开。生命活动包括大量的化学反应，而这些化学反应又是在水中进行的。如果没有一个“墙壁”把这套系统和环境分开，一个大浪打来，组成生命的分子被稀释，生命系统也就荡然无存了。这个“墙壁”应该能够阻止组成生命的分子逃逸，又应该能够让生命和外界进行物质交换。这个被“墙壁”围起来的小空间就是原始的细胞，“墙壁”就是细胞膜（cell membrane）。由此可见，生命必须以细胞的形式开始。要知道分子如何在水中形成细胞膜，就需要知道这些分子之间怎样相互作用，以及这些分子又怎样与水分子之间相互作用。
分子之间的作用主要是通过电荷之间的作用
在形成我们的宇宙的大爆炸发生后的10-43秒，我们的宇宙已经急剧膨胀，物质之间相互作用的4种力，即强作用力、弱作用力、电磁力和重力，开始起作用。强作用力是把基本粒子（比如质子和中子）结合在一起的力，其作用距离比氢原子的尺寸还小100万倍，所以只能在原子核中起作用。弱作用力和中子衰变为质子、电子和中微子有关，和分子间的相互作用也没有关系。万有引力约为电磁力的1/1037，在分子的相互作用中可以完全忽略不计。所以分子之间以及生物大分子内不同部分之间的相互作用力，只能是电磁力。在电磁力中，磁场的产生需要电荷的移动。而在生物体内，电荷（比如各种离子上的电荷和分子上的局部电荷）的数量非常多，而且以极高的速度向各个方向运动，分子和离子之间又以极高的频率相互碰撞，所以这些电荷所产生的磁场基本上互相抵消，生物体内的“净”磁场的强度极其微弱，约为地磁场一千万分之一。这样弱的磁场对分子之间的相互作用微乎其微，所以分子之间和分子内不同部分之间的作用力，基本上就是电荷之间的作用力。这种电荷之间的作用力又分为两种，一种是相对局部和定点的，另一种是较大范围和动态的。这两种类型的电荷作用力，决定了化学键和分子是极性的还是非极性的，这两种性质互相配合，是细胞膜和生物大分子形成和维持相对稳定结构的基础。
化学键和分子的极性和非极性
处于元素周期表上同一周期的元素外层电子的层数相同，电子数从1开始，直到8把外层轨道填满为止。外层电子数增加时，原子核中质子的数量也相应地增加，以保持电荷平衡。这样对于同一外层轨道上的电子来说，逐渐增加的原子核正电荷数意味着把这些外层电子“抓”得更紧。当两个原子之间形成共价键时，如果两个原子的原子核对这些共用电子的“抓力”相当，那么这些共用的电子就在两个原子之间“均匀分配”，不偏向任何一方。由两个同样的原子组成的分子，比如氧分子（O2）和氢分子（H2）就是这样的情形；碳原子和氢原子之间也是这种情形，例如由1个碳原子和4个氢原子组成的甲烷CH4（图1-1）。在这些情况下，分子总体和局部都不会带电。这样的化学键叫做非极性键（non-polar bond），这样的分子叫非极性分子。
但是如果两个原子对这些共用电子的“抓力”不一样，共用电子就不再在两个原子之间均匀分配，而是偏向“抓力”强的一方，这样分配到更多共用电子的原子就会带一些负电，另一方原子就会带一些正电。比如氧原子和氢原子通过共用电子形成水分子时就是这种情形。氧原子对共用电子“多吃多占”，带一些负电，氢则带一些正电。而且由于氧原子的2p亚层轨道的方向，这两个氢原子并不和氧原子在一条直线上，而是偏向氧原子的一边，两个化学键之间有104.45度的夹角。这样，水分子的正电荷中心和负电荷中心就彼此不重合，从总体上看就是水分子“一头”（氧原子“那头”）带负电，“一头”（两个氢原子“那头”）带正电，所以氢原子和氧原子之间的化学键就叫做极性键，水分子是极性分子。既然氧原子带负电，氢原子带正电，一个水分子中的氧原子就能够和其他水分子中的氢原子通过正负电荷相互吸引，这样形成的联系叫做氢键（Hydrogen bond）（图1-6）。氢键的力量虽然没有离子键和共价键强，却是分子之间最强的作用力之一。水分子之间就是因为有氢键，彼此“抓”得很牢，所以水分子虽然很小，相对分子质量只有18，水的沸点却很高，即一个水分子不容易“挣脱”其他水分子的吸引力，“飞”到空气中去，在一个大气压下水要到100℃才沸腾。而分子大小和水分子差不多的甲烷，相对分子质量16，由于是非极性分子，沸点却低到-161.5℃，在常温常压下是气体。
图1-6 水分子和它们之间的氢键
非极性分子由于整体和局部都没有固定的电荷，按理说它们之间应该没有吸引力了，甲烷极低的沸点似乎也支持这个想法。但是汽油也是由许多不同的碳氢化合物的分子组成的，在室温下却是液体，这说明这些分子之间也有吸引力。这又该如何解释呢？1930年，德裔美国科学家弗里茨·伦敦（Fritz London, 1900—1954）提出了一个假说来解释非极性分子之间的吸引力。他认为分子中电子的分布是动态的，虽然从总体上看，非极性分子的正电荷的中心和负电荷的中心彼此重合，但是在每一瞬间，这两个中心不一定完全重合，这就会产生瞬时的极性。这个极性又会影响相邻分子中电子的运动，在相邻的分子中“诱导”出极性来，而且“诱导”出来的极性的方向与第一个分子中的极性方向相反，例如第一个分子中瞬时的局部负电荷会在相邻分子的地方“诱导”出正电荷来，这样两个分子就会相互吸引。通过这种机制形成的分子之间的吸引力叫做伦敦力（London force），以提出这个学说的科学家“伦敦”的名字命名。因为这种力不是固定在分子的某一部分的，而是随机发生在分子的大范围内，所以又称为色散力（dispersion force）。
分子之间通过极性键（包括氢键）的相互作用，和通过色散力的相互作用，都是正电荷和负电荷之间的吸引，而且都只在短距离起作用（大约3到5个氢原子直径的范围内）。极性键之间的作用力和色散力虽然都是电荷之间的作用力，它们之间却有重大差别。极性键中的电荷是持续存在的，位置也是相对固定的，因此极性键之间的作用是“持续”和“定点”的，作用方式基本上是“点对点”。而色散力是随时变化的，电荷没有固定的位置，可以“平均”为分子之间的大范围相互作用，无法精确定位，作用方式是“面对面”，或者分子的“整体对整体”。在强度上，极性键之间的相互作用一般比色散力要强得多，除非非极性分子很大，接触面也很大。这两种作用方式不同的电荷作用力彼此配合，在细胞和生物大分子结构的形成上起关键的作用，包括蛋白质的三维结构，DNA的双螺旋，以及细胞膜的形成，我们在下一章中还会详细讨论这些问题。
分子在液体中的溶解度在很大程度上受分子和液体极性相似度的影响。带有比较多极性键的分子，由于带有比较多的固定电荷，能和也带极性的水分子“亲密相处”，也就比较容易溶解在水中。这样的分子或分子局部就被称为是亲水的（hydrophilic）。比如葡萄糖的分子中的6个氧原子带负电，而和它们相连的氢原子带正电，所以葡萄糖是高度溶于水的，25℃时，每100毫升水可以溶解91克葡萄糖，是亲水的分子。而总体和局部都不带固定电荷的非极性分子，由于无法和水分子形成比较稳定的电荷相互作用，它们分散到水中时又会破坏水分子之间很强的相互作用，所以不受水分子的“欢迎”而被“排挤”出去，自己聚在一起，被称为是疏水（hydrophobic）的，也就是不溶于水。比如碳氢化合物“苯”（benzene，由6个碳原子连成环状，每个碳原子再连上一个氢原子所组成的化合物）就和水完全不混溶，所以是疏水的。但是苯却能够通过色散力和其他非极性分子相互作用而溶于由非极性分子组成的液体中，比如苯就可以溶解在汽油中。所以我们也可以把苯称为亲脂的。亲脂的分子之间也有电荷的相互作用，不过是通过色散力来彼此吸引的。
膜和囊泡在水中的形成
完全亲脂的分子（比如汽油中的分子）是不可能在水中形成固定结构的，因为它们在水中根本“待不住”。完全亲水的大分子，即“全身”到处带电的分子，也不能在水中形成稳定的结构，因为它们的“身体”处处都受到水分子的包围，再加上水分子的热运动带来的冲击，没有一种力量能使它们保持在一起，维持稳定的形状。比如一种由葡萄糖单位线性相连组成的大分子叫做直链淀粉，它可以溶于热水中，但是分子却没有固定的形状。要在水中形成稳定的立体结构，一个办法是分子上既有亲水的部分，又有亲脂的部分，即两性分子（amphiphilic 或者 amphipathic molecules），其中亲水的部分可以处在结构表面，和水直接打交道，使分子或分子团能在水中稳定存在；而亲脂的部分由于受到水分子的排斥，被“赶”到一起，处于结构内部，彼此以色散力相吸引，并且从内部“拉住”分子的各个部分。这两种作用相互配合，就有可能在水中形成相对稳定的结构。假设有一种两性分子，它具有长长的亲脂“尾巴”，又有一个亲水的“头部”，当把这种分子放到水中时，亲脂的尾巴由于不能与水混溶，彼此聚集在一起，通过色散力彼此吸引，形成一个脂性的内部，亲水的头部排列在外面，与水亲密接触，就可以在水中形成比较稳定的结构。
图1-7 脂肪酸分子在水中形成的结构。左上为脂肪酸的分子结构，左下为脂肪酸的分子模型。脂肪酸分子由一个亲脂的长“尾巴”和一个亲水的“头部”组成。在水中，亲脂的尾巴彼此以色散力结合，位于小球的内部，不与水接触；亲水的头部排列在外面，与水接触，形成实心的小球。脂肪酸也可以在水中形成双层膜，膜的边缘彼此融合，形成空心的囊泡，里面包裹着水
根据亲脂部分和亲水头部的相对大小，这样形成的结构可以是球形的，也可以是膜状的。例如脂肪酸就有一根由碳氢链组成的亲脂的“尾巴”和由羧基组成亲水的“头部”。当把脂肪酸放到水中时，它就会形成两种结构。一种是实心的小球，亲脂的“尾巴”在内部，不与水接触，尾巴之间通过色散力彼此结合；羧基端朝外，与水接触。另一种是形成双层膜，每层膜的亲脂“尾巴”在膜内，彼此接触，羧基的头部在膜的两面。但是这样的膜有一个问题，就是在膜的边缘，亲脂部分仍旧可以和水接触。如果膜能融合成小囊，边缘就消失了，就可以形成由双层膜包裹成的小囊泡，里面包裹有水，类似细胞膜（图1-7）。当然这样的膜还太简单，目前地球上生物的细胞膜是由更复杂的两性分子磷脂组成的，在第二章第七节中，我们还会详细讨论这个问题。
在太空中形成的有机物是否可以在水中自发形成膜状结构，从而形成最初的细胞呢？为了回答这个问题，2001年，美国航空航天局（NASA）和加州大学桑塔·克鲁兹分校（UC Santa Cruz）的科学家合作，模拟太空中的状况来产生有机物。他们按照星际冰中物质的比例，混合了水、甲醇、氨、和一氧化碳，在类似星际空间的温度（15K，即绝对温度15度，相当于-258℃）下用紫外线照射这个混合物。当被照射过的混合物的温度升到室温时，有一些油状物出现。把这些物质提取出来，再放到水中时，发现它们形成了囊泡，直径10—50 微米，与细胞的大小相仿（图1-8）。这个结果说明，在太空中形成的有机物中就有两性分子，可以自发在水中形成囊泡结构，这就使得原始细胞的形成成为可能。