第六章 運動——力量與榮耀2

雖然肌球蛋白消耗ATP的速度決定了肌肉收縮的速度，但是肌肉要停止收縮不等於要耗盡所有的ATP，否則我們每次去健身房，肌肉大概都會變得像僵屍一樣，需要被抬回家。事實上，我們的肌肉是會疲勞的，這似乎是為了避免僵直而產生的適應能力。決定肌肉開始和結束收縮的是細胞裏麵的鈣離子濃度，也正是這些離子，把肌肉收縮和伽伐尼的動物電流串聯在一起。當一個神經脈衝傳過來時，會很迅速地沿著微管網絡擴散，並把鈣離子釋放到細胞裏麵。接下來發生一連串的步驟我們不必在意，總之最後鈣離子會讓肌動蛋白纖維與橫橋的結合點打開，這樣一來，肌肉就可以開始收縮。不久之後，細胞裏麵充滿了鈣離子，鈣離子通道就會關閉，然後離子泵開始運作，把所有的鈣離子打到細胞外麵，以便讓細胞回到初始的待命狀態，準備迎接下一次任務。等到細胞裏的鈣離子濃度降低，肌動蛋白纖維上的結合點就會關閉，搖擺的橫橋就無法與之結合，肌肉收縮因此中止。具有彈性的肌節很快就會回複到原本的放鬆狀態。

當然這個描述其實極度簡化了肌肉運作的機製，簡化到了近乎荒謬的地步。隨便翻開任何一本教科書，你都可以找到一頁又一頁的詳細描述，一個蛋白質接著一個蛋白質，每一個都有精細的結構或調節功能。肌肉生化學的複雜程度相當嚇人，但是潛藏在背後的原理極度簡單。這一簡單原理並不隻是幫助我們了解肌肉的工作方式，事實上，也是複雜生物進化的核心。在每一個不同物種身上的不同組織中，調控肌球蛋白與肌動蛋白結合的方式各不相同。生化細節上的差異，宛如巴洛克教堂上麵的洛可可風裝飾，每一座教堂單獨來看，其裝飾繁複，都讓教堂顯得極其獨特精致，但是它們都是巴洛克教堂。同樣，即使各種肌肉的功能在細節差異上有如洛可可風裝飾，但是肌球蛋白還是接在肌動蛋白上麵，而且永遠都接在同一個位置，而ATP則一直扮演推動纖維滑動的角色。

比如對於平滑肌來說，它讓括約肌與動脈收縮的能力，曾經讓鮑曼和他維多利亞時代的同行感到非常困惑。平滑肌雖然沒有骨骼肌的橫紋，但仍是靠肌動蛋白與肌球蛋白收縮。平滑肌的纖維排列極為鬆散不具備明顯的秩序。其肌動蛋白與肌球蛋白的作用機製也相對簡單，鈣離子流會直接刺激肌球蛋白的頭部，而不必繞那些骨骼肌裏的遠路。但是在其他方麵，平滑肌和骨骼肌收縮的方式則非常類似，兩者都是靠肌球蛋白與肌動蛋白結合來收縮，一樣的循環，且都依賴ATP提供能量。

平滑肌這種簡化的收縮版本，暗示了它有可能是骨骼肌進化路上的前輩。平滑肌就算缺少複雜的顯微結構，仍是有收縮功能的組織。然而根據不同物種肌肉蛋白質的研究結果顯示，肌肉的進化沒我們想的那麽簡單。日本國立遺傳學研究所的兩位遺傳學家齋藤成也與太田聰做過一項嚴謹的研究，結果顯示哺乳動物骨骼肌裏麵的蛋白質和昆蟲用來飛行的橫紋肌蛋白質極為相似，暗示兩者必定是從脊椎動物和無脊椎動物的共祖身上繼承來的，這個共祖大概出現在6億年前。這個共祖就算還沒有骨骼，也必定進化出橫紋肌了。而平滑肌情況差不多，也可以追溯到相同的共祖身上。所以平滑肌並不是複雜橫紋肌的進化前身，它們兩者走的是不同的進化路線。

這是一個值得注意的事實。我們身上骨骼肌裏的肌球蛋白和在家裏麵四處亂飛的蒼蠅所用肌球蛋白關係十分親近，比那些控製你消化道的括約肌裏的肌球蛋白還要親。更驚人的是，橫紋肌與平滑肌分家的曆史還可以追溯到更久以前，可以早到對稱動物出現之前(脊椎動物和昆蟲都是對稱動物)。水母似乎也有和人類類似的橫紋肌肉。所以盡管橫紋肌和平滑肌都利用類似的肌球蛋白與肌動蛋白係統，但是這兩個係統，似乎是從同一個既有平滑肌又有橫紋肌的共祖身上，獨立進化出來的。這個共祖屬於最早出現的動物之一，在那個時候水母大概就算是進化創作的巔峰了。

盡管橫紋肌與平滑肌的進化曆史超出預期，但是可以確定的是，眾多變化萬千的肌球蛋白都有同一個共祖。它們的基本結構都一樣，都會和肌動蛋白以及ATP結合，而且結合在相同的位置上。它們也都執行一樣的機械循環。如果說橫紋肌和平滑肌的肌球蛋白來自相同的共祖，那麽這個共祖應該比水母還原始，它可能既沒有平滑肌也沒有橫紋肌，但是已經有肌動蛋白和肌球蛋白，隻不過被拿來做別的事。會用來做什麽呢？答案其實一點也不新鮮，早在20世紀60年代就已經被發現了，而且源自一個意外。盡管這個發現算是老古董，然而在生物學裏很少有發現可以像它這樣有遠見，一下子就為肌肉的進化曆史打開一扇大窗。它是赫胥黎通過電子顯微鏡發現的，肌球蛋白的頭可以“裝飾”到肌動蛋白纖維上。下麵讓我解釋得詳細一點。

各類肌肉纖維都可以被提取出來，然後分解為子單元。以肌球蛋白為例，它的頭可以和尾巴分開，然後在試管裏和肌動蛋白結合。而肌動蛋白呢，隻要放在適當的環境中，它會很快地結合成長條纖維，聚集是肌動蛋白的天性。肌球蛋白的頭會接到肌動蛋白纖維上，就如同在肌肉裏一樣。這些頭排列在肌動蛋白纖維上宛如一個個小箭頭，而且所有箭頭都朝向一個方向，表示肌動蛋白具有極性。肌動蛋白隻會用一種方式組合，而肌球蛋白永遠隻會接在同一個方向上，這樣才能產生力量。(在肌節裏，肌動蛋白聚合方向會在中線處反過來，讓兩邊往中間拉，一整段肌節成為一個收縮單位。每一個相鄰的肌節收縮，結果造成肌肉整體收縮。)

這些小箭頭隻會接在肌動蛋白纖維上，完全不會與其他蛋白質作用，因此我們可以在其他細胞裏加入肌球蛋白的頭，用來檢驗是否含有肌動蛋白。在20世紀60年代以前，所有人都假設肌動蛋白是肌肉特有的蛋白質，可以存在於不同物種的肌肉細胞裏，但是不可能出現在其他細胞中。然而生化學的研究結果挑戰了這一常識，因為研究發現最不可能有肌肉的生物，也就是我們用來烘焙的酵母菌，也可能含有肌動蛋白。用肌球蛋白的頭去找肌動蛋白纖維這樣一個簡單實驗，像打開了潘多拉的盒子一樣揭露了許多真相。赫胥黎是第一個打開它的人，他從黏菌中提取出肌動蛋白，然後加入兔子的肌球蛋白，結果發現兩者可以完美結合。

肌動蛋白無所不在。所有複雜細胞裏麵都有肌動蛋白構成的骨架，稱為細胞骨架(見圖6.3)。我們體內所有的細胞，動物、植物、真菌、藻類、原蟲等，全部都有肌動蛋白構成的細胞骨架。從兔子肌球蛋白可以和黏菌肌動蛋白結合這件事可以看出，不同物種差異極大的細胞中，肌動蛋白纖維的構造非常相似。該結論正確，卻也很令人不解。如今我們知道，酵母菌和人類肌動蛋白的基因相似度高達95%。[5]從這一事實來看，肌肉的進化變得非常不同。用來推動我們肌肉的纖維，其實也可以用來推動微小世界裏所有的複雜細胞。它們真正的差異在於組織形式不同。

我很喜歡音樂中的變奏曲。據說有一次年輕的貝多芬在莫紮特麵前表演，莫紮特聽完之後，對他的演奏反應平平，但對他的即興創作能力表示欣賞——他可以將一個簡單的主旋律，變幻出無盡的曲調與節奏各異的版本。隨後，該技巧讓貝多芬創造出偉大的《迪亞貝利變奏曲》。貝多芬變奏曲的形式其實非常嚴謹，就如同在他之前巴赫的《哥德堡變奏曲》一樣。他會維持基本的旋律不變，讓整個作品可以立即辨認出來是一個整體。貝多芬之後，這種手法往往被作曲家丟棄，以便能夠專注表達作曲家的情緒與想法，使作品缺乏數學的嚴謹。這讓前人的作品聽上去，隱藏著許多的細致差別，所有的可能性都被填滿，作品的潛力發揮到極致。

音樂上既要求主旋律變幻出無限可能，又要求嚴格保持各結構組成的一致性，其實和生物學很像。比如說，肌球蛋白與肌動蛋白組成的這個主旋律，通過自然進化無止境的想象力，也產生了無限的變化，在結構和功能上都發揮得淋漓盡致。任何一個複雜細胞的內在小世界，都可以見證這些不平凡機構的嚴謹變奏。

圖6.3　圖為經過染色的牛肺動脈內皮細胞。細胞骨架主要由微管、微絲和中間纖維構成。

馬達蛋白和細胞骨架微絲之間的交互作用，擔負著讓整個複雜細胞世界動起來的重大責任，不管在細胞裏麵或外麵。許多細胞都可以在堅硬的表麵上輕鬆滑行，完全不需要費力揮舞四肢或扭動身軀。還有一些細胞會形成偽足，可以延伸出去拖著細胞移動，或者用來捕捉獵物，然後吞入體內。此外還有細胞擁有纖毛或鞭毛，它們規律的扭動可以驅動細胞四處遊走。在細胞內部，細胞質會產生漩渦，不斷地將內含物運至四處。在這個小小世界中，像線粒體這樣的巨大物體會橫衝直撞，而染色體們則跳著它們的加沃特舞曲，然後慢慢各自退場。之後細胞中間位置開始收縮隔開，最終一分為二。所有這一切運動都仰賴細胞裏麵的分子工具，而肌動蛋白與肌球蛋白正是其中最重要的組成元素。而這一切運動隻不過是相同旋律的各種變奏曲而已。

想象一下把自己縮小到ATP分子的大小，這樣細胞看起來就像一座未來城市。用力伸長脖子四下看看，能看多遠就看多遠，你會發現這裏到處都是讓人頭暈目眩的一排排纜線，這些纜線還又接著更多的纜線。有些纜線看起來脆弱又纖細，有些看起來十分粗壯。在這座細胞城市中，重力一點意義也沒有，黏度才主宰一切，原子在四處隨意碰撞。你可以試試在這裏移動，你將會發現自己好像陷在一團濃稠的蜂蜜裏一般動彈不得。忽然間，從這個紛亂的城市裏冒出一台很特別的機器，像一對機械手交替運動，以纜線為軌道急速爬行。跟在後麵的則是一個巨大笨重的東西，被這對手臂拖著飛馳而來。如果你碰巧站在路中間的話，可能會以為自己要被一座飛行發電廠撞上了。不過事實上也沒錯，這個疾馳而來的東西就是線粒體，它正要趕往城市的另一端去執行發電任務。現在再往四處看看，其實還有好多東西也都朝同一個方向移動，有些快有些慢，但是所有東西的共通處就是都被相同的機器拖著，沿著橫跨四處的纜線移動。接著，在線粒體通過之後的一瞬間，你會覺得自己被一陣渦流刮走，你會跟著打轉。這陣渦流攪拌著細胞裏麵的所有東西，被稱為胞質環流。

這是從納米科技的角度，去看一個我們平常從來沒有想過的複雜世界。當然在這個怪誕的未來城市中，仍然有些東西是我們熟知的。我剛剛所描述的景象很可能就是你身體裏麵的某個細胞，當然也可能是一個植物細胞、一個真菌，或者是一個在你家附近池塘裏遊泳的單細胞原蟲。在細胞的世界裏麵有一種驚人的共通性，讓我們覺得周圍的一切是如此相似，似乎都是相互關聯的同類。從細胞的角度來看，你隻是整個身體建造計劃中的眾多變異之一，隻不過是用許多相似的積木，搭建同一物品的眾多拚法之一。但這積木多了不起呀!每個喧鬧的真核細胞迷你城市(真核細胞是帶有核的複雜細胞，請見第四章)，都和簡單的細菌內部世界有極大的差異。這差異絕大部分要歸功於大量的細胞骨架，以及四通八達的交通係統持續把細胞內的物質送往迎來。如果沒有這些夜以繼日運作的交通係統，所有的細胞城市將會癱瘓，就好像我們的大城市缺少主要幹道一樣。

所有細胞裏麵的交通都源自各式大同小異的馬達蛋白。首先該提的就是那個在肌動蛋白纖維上跳上跳下的肌球蛋白，和它在肌肉裏的運作方式一樣。不過差異就是，在肌肉裏肌球蛋白有90%的時間與肌動蛋白纖維分開，如果它們不這樣做，而是持續不斷地粘在纖維上的話，就會嚴重阻礙其他搖擺中的肌球蛋白橫橋，就像在一艘長船上其中一位槳手故意不把槳抬離水麵一樣。在肌肉裏可以如此長時間分離，因為肌球蛋白的尾巴會纏繞成粗肌絲，從而把肌球蛋白的頭部拴在非常靠近肌動蛋白的地方。但是對於那些橫跨細胞的各種纜線來說，可不能這樣，因為一旦馬達蛋白與纜線分開之後，它就會被撞飛，很難重新抓住纜線(不過在某些情況下，電力的交互作用可以把馬達蛋白拴在離纜線不遠處)。

比較好的解決辦法是發展出一種“前進式”馬達，一邊接在纜線上，一邊在纜線上移動(前進)。而蛋白質也這樣做了，稍微改變一下肌球蛋白的結構，就可以把自己變成一個前進馬達，可以稍微離開肌動蛋白纖維卻又不至於完全分開。有哪些改變了呢？首先是肌球蛋白的頭頸部要稍微延長一點。還記得在肌肉裏麵，兩個肌球蛋白頭部會緊緊靠在一起嗎？那是因為從頸部到尾部都被纏住，但是除此之外這兩個頭部其實沒有什麽合作關係。現在我們稍微把頸部延長一些，讓兩個蛋白質頭部不再靠那麽緊，而多一點自由空間。這樣一來，當一個頭部粘在纖維上時，還有一個可以搖擺，因而造就了一種“手牽手”一步一步在纖維上移動的前進馬達。[6]還有其他的變異版本，包含三個甚至四個頭部連在一起。當然不論是哪一種變異版本，這些肌球蛋白頭部都不會纏在粗肌絲纖維上，而是可以四處移動。最後，其他東西都可以通過“耦合”蛋白接在這些馬達上，每種東西有專門的耦合蛋白。如此就有了一群前進馬達，可以把細胞裏的東西沿著肌動蛋白軌道運往四處。

這一群了不起的蛋白質是怎麽出現的？在細菌世界裏並沒有可以相比的東西。不過，肌球蛋白配肌動蛋白也不是真核細胞裏麵唯一的雙人配對工具。另一組馬達蛋白叫作驅動蛋白，它作用的方法和肌球蛋白差不多，也是用手牽手的方式在那些橫跨的細胞骨架上移動。不過驅動蛋白所對應的纜線並非肌動蛋白纖維，而是一條充滿孔洞的管子，稱作微管，其蛋白質單元稱為微管蛋白。微管的工作很多，其中一項就是在細胞分裂的時候形成紡錘體，把染色體拉開。當然還有其他幾種馬達蛋白，不過我們無須繼續花時間討論。

所有馬達蛋白與它們的高架軌道，其實在細菌裏麵都有雛形，不過不是那麽顯而易見，因為它們負責的工作不同。[7]X射線晶體學再度幫我們厘清這些蛋白質間的血緣關係，而如果隻靠比對基因序列，恐怕永遠也鑒別不出來。

肌球蛋白與驅動蛋白這兩種最主要的馬達蛋白，從基因序列上麵來看，幾乎沒有相似之處。其中某些序列或許相同，但是長久以來科學家都認為那隻是巧合或趨同進化的結果。確實驅動蛋白和肌球蛋白看起來很像典型的趨同進化產物，也就是說，兩個本來毫無關聯的蛋白質因為負責類似的工作，結果慢慢特化發展出類似的結構。就好像蝙蝠和鳥，也是為了適應飛行，各自獨立發展出翅膀。

後來，X射線晶體學解開了兩個蛋白質的三維立體結構。基因序列告訴我們的是二維的線性字母序列，如同歌詞但是沒有音樂。晶體學給我們展示的是蛋白質的三維空間結構，就好像完整的歌劇。德國音樂大師瓦格納曾說過：(歌劇的)音樂應當去配合歌詞的要求，而不應讓歌詞來將就音樂。但是現在不會有人因為那些日耳曼式歌詞而記得瓦格納，流傳下來的反而是他的音樂，啟發了後代的音樂家。同樣，基因序列就是大自然的文字，而真正的蛋白質音樂卻藏在它的形狀之中。是蛋白質的形狀通過自然進化的考驗，才能存活下來。自然進化才不管基因序列，自然進化在乎的是功能。雖然說基因決定功能，但是功能卻必須用一套我們還不清楚的蛋白質折疊規則，把蛋白質折出特定形狀才能執行。因此，很多基因有可能因為分異太久太遠，以至於在序列上完全沒有相似性，這就是肌球蛋白和驅動蛋白。但是藏在蛋白質深處的音樂還在，有待晶體學來揭露。

根據晶體學，我們現在知道肌球蛋白與驅動蛋白，盡管基因序列差異甚大，但確實來自共同祖先。從它們的三維結構來看，許多蛋白質折疊法與結構都相同，許多關鍵點的氨基酸也都被保存下來，在空間上朝向同一個方向。這是進化的不可思議之處，經過好幾十億年，盡管蛋白質的成分甚至是基因序列都被時光改得麵目全非，但是相同的模式、相同的形狀、占據相同的空間——這一切細節卻從原子等級上被保留下來。這些形狀上的相似性清楚地指出，肌球蛋白和驅動蛋白是來自細菌祖先裏的一個蛋白質大家族[8]。這些祖先確實也從事某種和運動或力量有關的工作(它們今天還是做同樣的工作)，比如說從一個構型轉換成另一個構型，但是沒有一個細菌蛋白質有移動能力。X射線晶體學讓我們看清蛋白質骨架，如同X射線讓我們看清鳥類的翅膀結構一樣。就像翅膀祖先的骨骼與關節結構清楚地指出它們來自沒有飛行能力的爬行類前肢，馬達蛋白的結構也清楚地顯示它們來自可以變化形狀，但還沒有移動能力的蛋白質祖先。

晶體學研究也告訴我們細胞骨架進化有趣的一麵。這些由肌動蛋白和微管蛋白所組成、高懸於四處的纜線十分讓人費解。你一定想問，為什麽細胞會想要進化出這些高架纜線或馬達蛋白的快速道路？一開始還沒有這些蛋白質汽車呀，這豈不本末倒置？其實不然，因為細胞骨架本身自有用處。它們的價值來自它們的形狀。所有真核細胞的形狀，從細長的神經細胞到扁平的內皮細胞，都靠這些細胞骨架微絲來維持。而後來我們發現細菌也差不多。長久以來生物學家都認為細菌的各種形狀(杆菌、螺旋菌、弧菌等)，是因為它們有堅硬的細胞壁。因此後來在20世紀90年代中發現細菌也有細胞骨架時，著實讓大家吃了一驚。這些骨架由類似肌動蛋白與微管蛋白的細纖維構成，可以幫助細菌維持各種精巧的形狀。(如果讓這些細胞骨架突變的話，原本形狀複雜的細菌就會成為最簡單的球狀。)

就像剛剛提過的馬達蛋白一樣，細菌與真核細胞的骨架蛋白在基因上也很少有相似處。不過在世紀交替之際，科學家利用晶體學，解出細菌骨架的三維立體結構，結果比馬達蛋白的更讓人吃驚。細菌與真核細胞的骨架蛋白質，在結構上可以完全重疊，它們有一樣的形狀，占據相等的空間，在少數關鍵位置上的關鍵氨基酸完全相同。很明顯，真核細胞的骨架來自細菌的同類蛋白質，形狀與功能都被保存下來。兩者如今在維持細胞形狀上都十分重要，而且功能的相似不止於此。這些骨架與我們堅硬的骨骼不同，它們具有動力而且隨時自我重組，如同捉摸不定的雲，會在暴風雨天忽然聚集成群。它們可以施展力量，移動染色體，可以在細胞分裂時把細胞一分為二。此外，在真核細胞裏它們還可以幫助細胞移動，完全不用借助任何馬達蛋白。換句話說，細胞骨架自己就可以運動，這是如何辦到的？

肌動蛋白纖維和微管蛋白纖維都是由重複的蛋白質子單元自動接成一條長鏈，或稱為聚合物。這種分子聚合能力並不罕見，像塑料也是由簡單的基本單元不斷重複，組合成一條永無止境的分子長鏈。細胞骨架稀奇的地方在於，這些結構在新加入的單元和分解出來的單元之間存在一種動態平衡，不斷有新的單元接上去，舊的單元解下來，永無休止。結果就是細胞骨架永遠在自我重組，堆起來再拆開。神奇的地方在於，這些新單元永遠隻能接到一端上(它們堆起來的方式很像樂高積木，或者更像一疊羽毛球)，然後隻能從另一端分解。這種性質讓細胞骨架產生推力，下麵我來詳細解釋。

如果這條纖維從一端加入和從另一端分解的速度一樣的話，那麽這個聚合纖維的整體長度就不會變，但在這種情況下，纖維看起來像是往添加單元的方向移動。如果碰巧有物體擋在路中間的話，那這個物體就會被往前推。不過事實上，這個物體並不是被纖維推動的，這個物體其實是被周圍自由運動的分子隨意推擠，然後每次推擠，都會在物體和纖維頂端之間產生一點小空隙，如此一來，新的纖維單元就可以擠進來結合上去。通過這種方法，生長中的纖維可以阻止物體被推回來，因此整體來說是那些隨意推擠的力量把物體往前推。

或許這種運動最明顯的實例，就是當細胞受到細菌感染，骨架係統被搞亂的時候。比如說造成新生兒腦膜炎的李斯特菌，會分泌兩到三種蛋白質，合在一起劫持細胞的骨架係統。如此一來，細菌就可以在被感染的細胞裏麵四處遊走，在細菌後麵就有好幾條不斷合成又分解的肌動蛋白纖維在推動，讓細菌看起來像帶著尾巴的彗星。一般認為當細菌分裂時，染色體和質粒(細菌的環狀DNA)分開的過程也會發生這種運動。類似的過程也在變形蟲體內發生(同時也會在我們的免疫細胞比如巨噬細胞體內發生)。細胞所伸出的延伸結構或稱偽足，也是被這種不斷合成又分解的肌動蛋白纖維所推動，完全無需複雜的馬達蛋白參與其中。

運動的細胞骨架聽起來好像和魔術一樣，但是根據美國哈佛大學的生化學家蒂姆·米奇遜的看法，這一點也不稀奇。這一切現象的背後，隻是非常基本的自發性物理反應，完全無需任何複雜的進化。本來沒有結構功能的蛋白質，有時候也會因為某種原因突然聚合起來形成大型細胞骨架，可能產生推力，然後又快速地分解回複到原始狀態。這種現象聽起來似乎十分危險，也確實在大多數的情況下是有害的。以鐮刀型細胞貧血症為例，當氧氣濃度低的時候，突變的血紅蛋白會自動在細胞裏聚合成網狀結構。這種改變導致紅細胞變形，讓它變成鐮刀狀，病名由此而來。不過換句話說，這種聚合也是一種力與運動。當氧氣濃度上升時，這些失常的細胞骨架會自動分解消失，讓血紅蛋白回複到原來的圓盤狀。這也算是某種動態的細胞骨架，雖然不是很有用。[9]

很久很久以前，相同的事情一定也發生在細胞身上。肌動蛋白纖維與微管蛋白纖維的子單元，原本是其他蛋白質，在細胞裏麵做著其他工作。偶爾結構上麵的小小改變，讓它們有自動聚合成纖維的能力。這就像血紅蛋白能突變一樣，但是和鐮刀型細胞貧血症的不同之處在於，這種變異應該有立即可見的好處，因此自然進化選擇了它。這個立即可見的好處或許和運動沒有直接關係，甚至沒有間接關係。事實上，鐮刀型血紅蛋白也是在瘧疾流行的地區被選擇出來的，因為隻有一個基因變異，才對瘧疾有抵抗力。因此盡管需要忍受長遠而痛苦的後果(鐮刀型紅細胞因為沒有彈性，所以會堵塞微血管)，自然進化還是把這個自發進行且不受歡迎的細胞骨架保留下來了。

所以這了不起的運動性，從最簡單的源頭到骨骼肌所展現的各種壯觀的威力，都依賴於一小群蛋白質與它們無數的變奏曲。今天科學家要解決的問題是，剔除所有華麗的變奏曲，讓最原始的主題展露出來，要找出最初最簡單的合唱。該問題是現在領域裏最令人興奮卻也最多爭議的研究題目之一，因為最原始的曲調由所有真核細胞之母所吟唱，那是大約20億年前的事了。想從如此遙遠的時間長河中隻利用回音去重組原始旋律充滿了困難。我們不知道這個真核細胞祖先如何進化出運動性。我們也不知道細胞之間的合作關係(共生)是否占有決定性的作用，就像馬古利斯長久以來認為的那樣。或者細胞骨架是從宿主細胞現存的基因中進化出來的。有一些很有趣的謎題如果可以解開的話，應該會為我們指出一條明路。比如說當細菌分裂的時候，細菌用肌動蛋白纖維把染色體拉開，用微管把細胞拉緊，一分為二。但在真核細胞體內兩者正好相反。真核細胞分裂時，拉開染色體的紡錘體由微管組成，收縮階段拉緊細胞的是肌動蛋白纖維。如果我們可以知道這種反轉如何發生，又為什麽發生，那應該會對地球上生命的曆史有更透徹的了解。

對於科學家來說，這些細節問題極具挑戰性，而我們已經大致了解了整體圖像。我們知道細胞骨架和馬達蛋白，是從哪些蛋白質祖先進化而來。至於它們來自共生的細菌，或者來自宿主細胞本身，兩者都有可能但關係不大。如果有朝一日我們解答了這些問題，那麽現代生物學的基礎就更加屹立不倒了。目前有一件事情是確定不疑，那就是如果缺乏運動的真核細胞——也就是不會四處移動、沒有動態細胞骨架和馬達蛋白的真核細胞，真的曾經存在的話，那麽它應該早在盤古時代就滅亡了，如同它的祖先一般。所有現存真核細胞的共祖是可以運動的，這表示運動應該為細胞帶來極大的好處。由此觀之，運動的進化不隻長遠改變了生態係統的複雜性，還幫助地球改頭換麵，讓地球從一個由細菌主宰的簡單世界，變成現在我們眼前豐富多樣的神奇世界。

[1]克羅尼是英國皇家學院的創始會員之一，後來以他名字命名的克羅尼講座(年度榮譽講座)，是生物科學最重要的講座。

[2]丘吉爾有句名言是這麽說的：“創造曆史最好的方法就是改寫曆史。”他的權威著作也為他贏得了1953年諾貝爾文學獎。上一次曆史文學拿到文學獎是什麽時候呢？

[3]佩魯茲和肯德魯兩人首先解開的是抹香鯨的肌動蛋白構造。選這個蛋白質做研究似乎很怪，其實這樣的選擇是有原因的，因為人們知道在捕鯨船甲板上的血塊與血跡中找到過這個蛋白質結晶(在深海潛水的哺乳類動物如鯨魚的肌肉裏，該蛋白的濃度非常高)。蛋白質會結晶這種特性非常重要，因為要用結晶學解析結構，樣品一定要形成某種形式的結晶，或至少有重複的構造。

[4]不同的肌肉其實含有不同纖維的混合物。快縮肌纖維依賴無氧呼吸提供能量，雖然快速但是很沒效率。這種肌纖維收縮很快(含較快的肌球蛋白)，但是也很快疲勞。它們也不怎麽需要毛細血管、線粒體或肌紅蛋白，而這些都是有氧呼吸所需要的裝備。缺少這些構造讓肌肉呈現白色，這是白肉形成的原因。慢縮肌纖維主要分布在紅肉中，依賴有氧呼吸(含較慢的肌球蛋白)。它們收縮較慢，但是也不易疲勞。

[5]這裏的描述其實有點過度簡化了：兩者基因序列相似性隻有80%，但是氨基酸序列的相似度卻高達95%。造成這種現象的原因，是因為許多不同的密碼都可以轉譯出相同的氨基酸(詳見第二章)。這種差異所反映的，就是基因突變搭配上強力維持原始蛋白質序列的自然進化作用所產生的結果。看起來唯一被自然進化所允許的突變，就是那些不會改變蛋白質裏氨基酸的突變。這隻是另外一個告訴我們自然進化確實在作用的小例子。

[6]當然，這種改變實際上也會反過來發生：前進馬達最後變成粗肌絲纖維。這或許解釋了為何肌肉中的每個肌球蛋白分子仍有兩個頭，盡管它們似乎沒有充分地協調運作。

[7]細菌也會四處移動，不過是用鞭毛，這和真核細胞不同。基本上鞭毛就像葡萄酒開瓶器的螺旋鑽頭，由馬達蛋白質繞著軸心不停旋轉驅動。細菌的鞭毛也常被用來說明“不可還原的複雜”這個概念，但是關於“不可還原”的問題已經在別的地方被反駁了，所以我就不在此贅述。(譯注：“不可還原的複雜”是基督教對進化論的批評，他們主張生物某些複雜的器官完全沒有簡化的可能，所以不可能是進化的產物。)如果你想更深入地了解鞭毛，請參閱肯·米勒所寫的《脫韁的鞭毛》，他是位卓越的生化學家，也是智能設計運動的天敵，更是位虔誠的天主教徒。對他而言，相信生命中分子的運作機製可以用進化解釋，與相信神之間完全沒有衝突。米勒認為智能設計論者是雙重失敗者，“在科學上失敗，因為他們違背了事實；在信仰上失敗，因為他們小看了上帝”。

[8]準確地說，它們是G蛋白，這是一大家族的蛋白轉換器，負責給細胞傳遞信息。在細菌體內的親戚則叫作GTP酶蛋白。這些蛋白質的名稱並不重要，這裏我們隻要知道已經找到它們的祖先即可。

[9]另外一個一樣沒用的例子是牛海綿狀腦病，大家比較熟悉的名稱是瘋牛病。瘋牛病是由朊蛋白引起的傳染性疾病，也就是說，蛋白質本身就是傳染顆粒。這些蛋白質具有改變周圍其他蛋白質形狀的能力。周圍的蛋白質形狀一旦被改變，就會聚合在一起形成一長條纖維，也可以算是某種細胞骨骼。過去我們都認為朊蛋白隻會致病，但是近來的研究卻顯示，有些“類朊蛋白”可能與長期記憶以及大腦裏麵的突觸形成密切相關。