我们太熟悉运动了，以至于忽视了运动的重要性。是运动使我们能在特定时间出现在特定地点，这种生活给了动物目的，也让开花植物有了意义。而使运动成为可能的是组成肌肉的各种蛋白，谁能想到从这些蛋白质中还能看出我们和苍蝇的亲缘关系呢？

“自然的獠牙与利爪，沾满了红色的血液”这句话，恐怕是英文里面描述达尔文时引用次数最多的一句了。尽管自然进化未必认同这句话，但是它却非常精准地描绘了一般人对自然进化的看法。原句出自英国诗人丁尼生1850年写的一首忧郁的诗《追悼》，九年之后达尔文出版了他的《物种起源》。丁尼生的诗人朋友亚瑟·哈兰姆（Arthur Hallam）的去世是他写此诗的契机，在该句的上下文中，丁尼生表达了上帝之爱与大自然冷酷无情的强烈对比。他借着大自然的口说，不只个人会腐朽，物种也一样。“物种已绝灭了千千万万，我全不在乎，一切终将逝去。”对我们来说，一切，包括我们所珍惜的全部，如意志、爱、信赖、正义，还有上帝。虽然自始至终丁尼生都没有失去他的信仰，但是那时候诗人显然深受信仰的折磨。

这种对大自然的成见（还有认为“自然进化好似个磨轮无情削磨”），已经招致多方批评。老实说，这种论调完全忽略了草食动物、植物、藻类、真菌、细菌等多样生命间的合作关系，只剩下猎食者与猎物间的竞争关系，贬低了合作的重要性。达尔文所主张的为生存而奋斗，是一种广义的奋斗，还可以包含个体之间以及物种之间的合作，甚至是个体内部的基因合作等，总的来说就是包括自然界最重要的共生关系。我不打算在这里讨论合作关系，只是想讨论一下从诗文中引申出来的猎食行为的重要性，或者讲得更详细一点，想讨论运动的威力，讨论运动如何从很久以前彻底改变了我们的世界。

沾满鲜血的獠牙与利爪隐含了运动的存在。首先抓到猎物，就不太像被动的行为。接下来咬紧上下颚需要用力打开再闭上嘴巴，这需要肌肉才能实现。如果要假设一种被动的猎食行为，大概就像真菌一样，但是即便是真菌，它们用菌丝缓慢绞住物体也需要某种程度的运动。总之我的观点就是，没有运动的话，很难想象如何能够依靠猎食来生存。因此，运动是非常基本而重大的发明。要想抓住你的猎物然后吃掉它，首先要学会运动，不管是像变形虫那样爬行吞噬，或者是像猎豹一般充满力量与速度的美。

我们并不能立马察觉运动如何改变了生态系统的复杂性，还有植物进化的方向和速度。化石记录虽然透露了一些端倪，让我们稍微洞悉，但却无法完整呈现物种之间的互动，以及这些互动如何随时间而改变。有趣的是，化石记录显示大约在地球历史上最大规模的灭绝事件之后，也就是距今2.5亿年前的二叠纪结束之际，生物的复杂度发生了剧烈的改变，在此之前95%的物种都灭绝了。这一次大灭绝之后，一切都不一样了。

当然，二叠纪以前的世界已经很复杂了，陆地上充满巨大的树木与蕨类植物、蝎子、蜻蜓、两栖类、爬行类等等，海中则充满了三叶虫、鱼类、菊石、腕足类、海百合（一种有长柄的棘皮动物，在二叠纪大灭绝时差点全部灭绝）以及珊瑚。不仔细看的话会以为这些生物的“种类”改变了，但整个生态系统却没有太大的不同，然而如果仔细分析会发现这种观点是不对的。

生态系统的复杂性可以用物种的相对数目来评估。一个系统里如果只由少数物种主宰，而其他物种处在边缘地带，那我们会说这个生态系统很简单。但是如果大量的物种彼此共存，势均力敌，那么这样的生态系统就非常复杂，因为物种之间可以形成更多关系网络。把各时代化石记录中物种的数量记录下来，我们可以得到一个物种复杂性的“指标”，结果出人意料。物种的复杂性并非慢慢累积由简而繁，相反，看起来像在二叠纪大灭绝之后忽然急速升高。在大灭绝之前，大约有3亿年的时间，海洋里复杂与简单的生态系统大约各占一半，但是在大灭绝之后，复杂生态系统比简单生态系统多出3倍以上，之后的2.5亿年直到现在又是另一个持续稳定时期。为什么这种改变并非稳定进行，而会发生剧变呢？

根据美国芝加哥自然史博物馆的古生物学家彼得·瓦格纳（Peter Wagner）的看法，答案在于运动生物的扩张，这一变化让大量生物固定在海底的世界（腕足类、海百合等动物都是过着一种过滤碎屑为食的低耗能生活），变成一个全新而充满活力的世界。新世界由四处移动的动物主宰，尽管只是一些海螺、海胆或螃蟹之类。当然很多四处移动的动物在大灭绝之前就已经存在了，但是只有等到大灭绝之后它们才真正成为主宰者。为什么在大灭绝之后会有这种急速的转变，目前还没有答案，或许是因为运动者对于世界的适应力更强。如果你一天到晚跑来跑去的话，那就更容易遇到各种环境变化，所以身体抵抗环境变化的能力就会更强。因此，或许运动的动物，在世界末日之后的环境剧变中更容易生存（第八章会详细讨论）。那些只靠过滤碎屑过活的生物则完全无力抵抗巨变的潮流。

不过不管原因是什么，运动生物的兴起，改变了生活的样貌。不管从哪个角度来看，四处游走让动物更容易狭路相逢，因此不同物种之间有更多种互动的可能。这不只是说有更多种的猎食，同时也有更多牧食、更多腐食、更多穴居躲藏等行为。动物总有各种理由移动，但是运动所带来的新生活，让动物可以根据特定目的，在特定时间出现在特定地点，然后在另一个时间出现在另一个地点。换句话说，这种生活给了动物目的，让它们有可能根据思考，从事有目标的行为。

然而运动所带来的改变，远超生活方式这一种，它还主宰了进化的步调、控制基因与物种随时间改变的速度。改变最快的当属寄生虫与病原微生物，因为它们要不断地创新发明来应付免疫系统的迫害，动物也从未对它们掉以轻心。而对于滤食动物，或者更广泛地包括植物这类固定不动的生物，进化就没那么快。对于这些物种而言，红皇后理论，那种要不停地奔跑才能保持在原地的理论（至少相对于竞争者来说），简直是天方夜谭。滤食生物基本上是万年不动的，直到在某一瞬间被扫除一空。不过有一个例外，那就是开花植物，而这个例外再次强调了运动的重要性。

在二叠纪大灭绝以前，世界上并没有任何开花植物。当时植物世界是一片单调的绿色，如同现在的针叶林一般。多姿多彩的花朵与水果完全是植物对新动物世界的回应。显而易见，花朵是为了吸引传粉者，也就是动物，帮它们把花粉从一朵花传给另一朵，如此固定的植物就可以获得有性生殖的好处。水果也应动物的召唤而生，借用动物的肠子帮它们把种子散播出去。因此，开花植物和动物共同进化，两者环环相扣。植物满足了传粉者与食果实者内心深处的渴望，而动物则在毫不知情的状况下完成了植物交付的任务，至少到人类开始生产无子水果之前都是这样。这种纠缠不清的宿命加速了开花植物的进化速率，以便跟上它们的动物伙伴。

运动让生物适应快速变化的环境，引发植物与动物之间更多的互动，产生了猎食这种生活形态，还带来了更复杂的生态系统。这些因素都促使感官系统进化得更敏锐（也就是说，更适于探索周围的世界），以及更快的进化速度，这样才能跟上环境的变化速度，不只是其他动物，还有其他植物。然而在这一切的发明中，只有一个发明让一切变得可能，那就是肌肉。或许肌肉乍看之下并不会让人像赞叹其他感觉器官（如眼睛）一样赞叹它的完美，但是放在显微镜下观察，就可以发现肌肉是多么了不起。它有排列清晰的纤维，协同作用产生力量。它是把化学能转化成机械力的机器，和达·芬奇所发明的东西一样不可思议。但是这样一部目的性极强的机器是如何出现的？在这一章中我们将要讨论肌肉收缩的分子机制、它们的来源与进化。有了肌肉，动物才能如此深刻地改变整个世界。

很少有特征能像肌肉这般引人注目，充满肌肉的男性总是激起人类的欲望或忌妒，从古希腊英雄阿喀琉斯到某位加州州长都是如此。与肌肉有关的历史，除了它的外表之外，还有许多伟大的思想家与实验者，都尝试去解释肌肉如何运作。从亚里士多德到笛卡儿，他们对肌肉的看法都是，肌肉运作原理并非收缩，而是膨胀，就像肌肉发达者膨胀的自信一样。他们认为脑室中会释放出看不见也无重量的动物灵气，通过中空的神经输送到肌肉，使其因膨胀而缩短。笛卡儿认为身体是机械的，因此他假设肌肉里面应该会有瓣膜，就像血管中的瓣膜阻止血液回流一样，这些瓣膜也可以阻止动物灵气回流。

但是1660年，在笛卡儿之后不久，这个曾经备受宠爱的理论就被一个简单的发现推翻了。荷兰的实验生物学家扬·施旺麦丹（Jan Swammerdam）用实验观察肌肉收缩时，发现肌肉的体积并没有增加，反而稍微减少了一些。这样一来，肌肉就不太可能像个袋子一样被动物灵气撑开。然后到了1670年，另外一位荷兰人，也就是显微镜技术的先驱安东尼·范·列文虎克（Antony Van Leeuwenhoek），首次用他的玻璃透镜观察了肌肉的显微构造。根据他的描述，肌肉由许多非常细长的纤维组成，而这些纤维又由许多“非常小的球状物”彼此相连串成一条链子，上千条这种链子组成整个肌肉的构造。英国医师威廉·克罗尼[1]（William Croone）则认为这些小球体其实像许多小袋子一样，可以被灵气撑开，却不会影响总体的体积。这些结构的运作原理已经远远超出当时科学能验证的范围，但科学的想象却没有边界。当时有许多顶尖的科学家认为这些小袋子里面装的就是爆炸物。比如说英国科学家约翰·梅欧（John Magow）就认为，动物灵气其实是含硝的气体分子。他认为这种气体由神经提供，会和血液提供的含硫分子混合在一起，形成类似火药的爆炸物。

不过这一理论也没流行多久，在列文虎克第一次观察肌肉的8年之后，他又用另外一架改良的显微镜重新观察他当年发现的“小球体”，然后为自己之前的说法致歉。他说肌肉纤维完全不是一连串小球体，而是一圈圈的环或皱褶，规律地绕着纤维，因此看起来像一颗颗小球体。他还把这些纤维压碎，在显微镜下细细观察其结构，发现这些纤维其实由更小的纤维组成，每根大概包含100多条小纤维。现在，这些东西的命名都不一样了。列文虎克当年看到的片段现在称为“肌节”，内含的细丝被称为“肌原纤维”。显然肌肉的收缩和小袋子膨胀一点关系也没有，而是和一束又一束的纤维有关。

该结构暗示肌肉可能通过纤维之间的某种机械性滑动运作，但是科学家依然不知道什么力量可以驱动肌肉如此运作。还要再等100年，等科学家发现一种新的力量，才有可能让这些肌肉纤维生气蓬勃，那就是电力。

18世纪80年代，意大利博洛尼亚大学的解剖学教授路易吉·伽伐尼（Luigi Galvani）用解剖刀碰触死青蛙的腿，同时在房间另一头有一部机器碰巧发出了一个电火花，他惊讶地发现死青蛙的腿居然收缩了。难道是电复活了青蛙腿？此后他做了一系列实验，用黄铜钩子摩擦解剖刀也会有一样的反应，雷雨天在屋内做实验也可以观察到类似的现象。这些实验催生出电力赋予生命力的理论，很快这一理论就被命名为直流电疗法（或称伽伐尼主义），并且给英国作家玛丽·雪莱（Mary Shelly）送去了灵感。雪莱在1823年写下她著名的哥特式小说《弗兰肯斯坦》之前，曾经详细研究过伽伐尼的实验报告。事实上，伽伐尼的侄子乔万尼·阿迪尼（Giovanni Aldini）可能是小说里科学家弗兰肯斯坦的原型。他曾在19世纪初期巡回欧洲展示“伽伐尼式死体复活术”。最有名的一次是他在英国伦敦的皇家外科医学院，当着众多内外科医师、公爵甚至威尔士亲王的面，电击一颗被砍下的罪犯头颅。阿迪尼记录道，当他电击耳朵和嘴巴时，“下巴开始颤动，周围的肌肉剧烈收缩，甚至睁开了左眼”。

当时另外一位意大利物理学家、帕维亚大学的教授亚历山德罗·伏特（Alessandro Volta）也对伽伐尼的实验很感兴趣，但是不赞成伽伐尼的解释。伏特坚持认为身体里面不可能有任何带电的东西，而直流电疗法的现象纯粹只是身体对金属产生的外界电流的被动反应。他认为，青蛙腿可以导电，这和浓盐水可以导电一模一样，纯粹是被动的。伽伐尼和伏特从此展开了一场为期十年的争论，而两派都各有积极的拥护者，恰好也反映了当时意大利的学术潮流：动物主义者对上机械主义者，生理学家对上物理学家，博洛尼亚大学对上帕维亚大学。

伽伐尼坚持认为他的“动物电流”确实来自体内，但想要证实此事却很难，至少很难说服伏特。这场争论也很好地展现了伽伐尼式实验思维有多大的威力。在设计实验证明自己理论的过程中，伽伐尼首先证明肌肉的性质就是容易被激活的，因为它能产生比刺激更大的反应。他还主张肌肉可以凭借在内层表面的两侧累积正负电荷来产生电力。伽伐尼说，电流会通过两层表面间的小孔。

这些主张真是非常有远见，但是这个例子也不幸地显示，历史由胜利者书写，即使在科学界也是如此。[2]因为伽伐尼拒绝拥戴拿破仑，因此拿破仑攻占意大利之后，他就被逐出博洛尼亚大学，次年因穷困潦倒而死。他的主张在随后数十年内渐渐没落，在很长一段时间，他只给后人留下“神秘的动物电流宣传者”或“伏特的对手”的印象。而伏特则在1810年被拿破仑封为伦巴第伯爵，不久之后电力单位也根据他的名字被命名为伏特。但是，尽管伏特因为发明了第一个实用电池，也就是伏特电池，在历史上占了一席之地，但是关于动物电流这件事他却错得离谱。

一直到19世纪末，伽伐尼的理论才再度被认真对待，这要归功于德国学派对于生物物理的钻研，而其中最著名的人物当属物理大师赫尔曼·冯·亥姆霍兹（Hermann Von Helmholtz）。这个学派不只证明动物的肌肉与神经确实由“动物电流”产生力量，亥姆霍兹甚至计算出神经传递电脉冲的速度。他使用的方法是当时军方用来测量炮弹飞行速度的方法，而结果很奇怪。神经传导的速度相对偏慢，大约是每秒几十米，远不及正常电流每秒几百千米的速度。该结果表明动物电流和一般电流确有不同。很快科学家发现两者最大的不同就是动物电流由笨重缓慢的带电离子，如钾离子、钠离子或钙离子传递，而不是迅速又难以捕捉的电子。当离子穿过膜的时候会造成去极化现象，也就是说，细胞膜外面会暂时带更多负电。去极化现象仅发生在非常靠近细胞膜表面的地方，会形成“动作电位”，它会沿着神经表面或在肌肉里传递下去。

但是这种动作电位到底如何驱动肌肉收缩。在回答这个问题之前，还要先回答另外一个更大更难的问题，那就是肌肉到底如何收缩？这次科学家利用更先进的显微镜技术来找答案。显微镜下的肌肉呈现出有规律的纹路，当时人们认为它们很可能由密度不同的物质组成。从19世纪30年代晚期开始，英国的外科医师兼解剖学家威廉·鲍曼（William Bowman），详细研究了40多种动物的肌肉显微结构。这些动物除了人类之外，还有其他哺乳类、鸟类、爬行类、两栖类、鱼类、甲壳类以及昆虫等等。他发现所有这些动物的肌肉都有横纹条带（称为肌节），如160年前列文虎克的描述。不过鲍曼注意到，在每一节肌节中间还可以根据颜色分为明带与暗带。当肌肉收缩的时候肌节缩短，只有明带会消失，形成鲍曼所称的“收缩时的黑色浪潮”。根据这种现象，鲍曼认为，肌肉整体的收缩来自每一段肌节的收缩，目前为止他是对的（见图6.1）。

图6.1　骨骼肌的构造，图中显示骨骼肌最具特色的横纹条带。在每两条深黑线（又称Z线）之间就是一节肌节，在每一节肌节中，颜色最深的区域内（暗带，或称A带）肌球蛋白和肌动蛋白结合在一起；颜色最浅的区域内（明带，或称I带）只有肌动蛋白；颜色介于两者之间的灰色区域内只有肌球蛋白纤维连接在中间的M线上。当肌肉收缩的时候，肌动蛋白与肌球蛋白连接形成的横桥会把在明带的肌动蛋白拉往M线，因而让肌小节缩短，看起来就像“黑色浪潮”（明带会并入暗带里面）。

但是在这之后，鲍曼就背离了正确的方向。他发现肌肉里面的神经不直接和肌节作用，所以他认为电流应该间接引起收缩。另外，括约肌和动脉里的平滑肌也让他很困惑。这些地方的肌肉，并没有像骨骼肌一般具有明显的横纹条带，但是它们仍然可以顺利收缩。因此鲍曼最后认为这些条纹和肌肉收缩并没有太大的关系，肌肉收缩的秘密，应该在那些看不见的分子结构中，而这些东西，鲍曼认为“超越了感官所能探知的领域”。关于分子的重要性，鲍曼是对的，不过他对肌肉条纹的看法是错的，对感官的看法更是错得离谱。但是他这种看法，却被同时代大部分人所接受。

就某种意义上来讲，维多利亚时代的科学家可以说是既无所不知却又一无所知。他们知道肌肉是由数千条纤维组成，每一条纤维都有分节，也就是肌节，这些肌节就是收缩的基本单位。他们也知道肌节里面之所以会有不同颜色的横纹，是因为组成成分不同。有些科学家已经猜到，这些条纹由相互滑动的纤维组成。他们也知道肌肉收缩是由电力驱动，而电力来自肌肉内部膜内外的电位差。他们甚至正确地假设钙离子是最可能造成电位差的主因。他们也分离出了肌肉里面最主要的蛋白质成分，并且把它命名为肌球蛋白，这个命字来自于希腊文，意思就是肌肉。但是深藏在这下面的分子秘密，也就是鲍曼认为超越感官所能探知的领域，确实超越了维多利亚时期科学家的探知范围。他们知道很多肌肉组成的知识，但完全不知道这些成分如何组合在一起，更不知道它们如何运作。这些东西还有待20世纪了不起的还原主义者来揭示。为了真正了解肌肉的伟大之处，以及这些成分如何进化出来，我们必须把维多利亚时期的科学家抛在脑后，直击肌肉分子本身。

1950年在剑桥大学，物理系的卡文迪许实验室刚成立了结构生物学组，同时也造就了科学史上的多产一刻。那时这里有两位物理学家和两位化学家，利用一种技术，完全改变了20世纪下半叶生物学，该技术就是X射线晶体学。要从不断重复的晶体几何结构中找出些什么东西是很困难的。即便在当下用它们来研究大部分的生物分子，也还是很难解的数学计算问题。

那时候马克斯·佩鲁兹（Max Porutz）是实验室领导者，他和助手约翰·肯德鲁（John Kendrew）是第一次解开大型蛋白质（比如血红蛋白分子和肌红蛋白）结构之谜的人。解谜的方法别无其他，就是研究当X射线打到分子长链上由原子散射产生的光斑。[3]之后加入的克里克以及更晚一些加入的美国年轻人沃森，两人利用相同的技术解开了DNA的结构之谜。但是在1950年加入的第四个人并非沃森，而是另一个更无名（至少对外界人来说），同时也是这个团队中唯一没有拿到诺贝尔奖的科学家。他就是休·赫胥黎（T. H. Huxley），他其实应该被授予诺贝尔奖，因为他在向世人展示肌肉如何在分子水平上进行曲柄与杠杆工作上的贡献比任何人都大，而相关研究足足持续了半个世纪。至少英国皇家学院为表彰他的贡献，1997年给他颁发了最高荣誉奖章：科普利奖章。当我在写本书之时，赫胥黎是美国麻省布兰戴斯大学荣誉教授，即使83岁高龄仍持续发表论文。

造成赫胥黎无人知晓的原因之一，是大家常常把他和另外一位名气较大，同时也是诺贝尔奖得主的安德鲁·赫胥黎（Andrew Huxleg）搞混。后者的祖父是那位以雄辩闻名、人称“达尔文的斗牛犬”的生物学家托马斯·赫胥黎（T. H. Huxley）。安德鲁·赫胥黎因其战后对神经传导所做的杰出研究而出名。在20世纪50年代早期，他开始转向肌肉研究，在随后几十年间他也成为研究肌肉的主要人物。这两位互相毫无关联的赫胥黎，分别独立研究，最后得到相同的结论。1954年，两人同时在《自然》期刊上发表了两篇连在一起的论文，提出现在被大家熟知的纤丝滑动学说。特别是休·赫胥黎更是充分发挥了X射线晶体学与电子显微镜两种技术的威力（他当时年仅20岁），在随后的几十年之内抽丝剥茧地揭开了肌肉功能的奥秘。

休·赫胥黎在第二次世界大战时负责研究雷达，战后回到剑桥大学继续完成学业。正如许多同时代的物理学家一样，他畏于原子弹的杀伤力而放弃物理学，转而投向情感与道德压力都比较小的生物学。或许可以说，物理学的损失就是生物学的收获。赫胥黎在1948年加入佩鲁兹的团队，当时他惊讶地发现，人类对于肌肉的构造与功能知道的竟是如此之少。他立志要弥补这一点，最后这成为他一生的事业。一开始他模仿伽伐尼利用青蛙腿来研究，但是初期的结果令人失望，实验室培养的青蛙肌肉的X射线光斑非常暗淡，无法得到清楚的模式。不过后来他发现野生青蛙的肌肉就好多了，所以每天一大早还没吃早饭，他就在寒冷的清晨，骑车前往沼泽区捉青蛙带回来做实验。然而这些野生青蛙腿虽然可以产生清楚的X射线光斑，但是结果却难以解读。赫胥黎在1952年的博士论文答辩时遇到了多萝西·霍奇金（Dorothy Hodgkin），这本来应该是件很幸运的事，因为她可是晶体学领域里的佼佼者。在看过赫胥黎的论文之后，霍奇金闪过一个念头，认为实验结果或许可以用纤丝滑动来解释，并且在楼梯间遇到克里克时，非常兴奋地与他讨论这个主意。但是当时的赫胥黎还处在血气方刚的好斗年纪，因此他理直气壮地与霍奇金争辩，认为她并没有仔细阅读论文中关于实验方法那一章，而论文的数据并不支持她的结论。两年之后，在电子显微镜的辅助之下，赫胥黎自己也得到相同的结论，不过现在他有非常充足的证据。

由于赫胥黎过早下结论拒绝接受纤丝滑动理论，让该理论的发现延迟了两年，但他有准确的洞察力，相信结合X射线晶体学与电子显微镜，必定能够揭开肌肉收缩的分子机制。赫胥黎指出，这两个技术都各有缺点，“电子显微镜可以给我们清晰又明确的影像，但有各种各样的伪影。X射线晶体学可以给我们真实的数据，但难以解读”。而他的洞见是相信两者可以取长补短。

赫胥黎也很幸运，因为当时没有人有远见，可以看出科技在未来半个世纪的长足发展，特别是X射线晶体学。X射线晶体学最大的问题就在于射线的强度。要让X射线通过物体产生可被观察的衍射（或散射）图案，需要非常大量的射线。这需要花非常多的时间（在20世纪50年代要花上数小时至数天，赫胥黎和其他科学家常常需要花上一整晚确保脆弱的X射线源不至于过热），不然就需要极强的放射源，能在瞬间产生强力X射线。生物学家再度需要物理学的发展，特别是在同步加速器上的。同步加速器是一种大型环状亚原子粒子加速器，利用同步的磁场与电场，给质子与电子这类亚原子粒子加速，使粒子达到近似宇宙射线的速度，再让它们撞击在一起。对于生物学家来说，同步加速器的价值，恰好就是让物理学家烦心的副作用。当带电的粒子在环状轨道中加速时，会释放出电磁辐射，或称为“同步加速器光源”，而这些辐射大部分恰好落在X射线的范围中。这些强力射线非常好用，可以在不到一秒的时间内生成衍射图像，这在20世纪50年代，用传统的技术可要花上数小时至数天。时间对肌肉研究来说格外重要，因为肌肉收缩发生在几百分之一秒内。要想在肌肉收缩的时候同步研究分子的结构改变，同步加速器光源是最佳选择。

赫胥黎最早提出纤丝滑动理论的时候，该理论还只是一个数据不足的假说。但是从那时候开始，理论预测的许多机制已经渐渐被赫胥黎以及其他科学家，利用相同的技术一点一点厘清，其详细程度在空间上达到原子等级，在时间上达到数分之一秒。维多利亚时期的科学家只能看到稍微放大的显微结构，赫胥黎却可以看出详细的分子结构，并且预测其作用机制。如今除了一小部分机制尚未明确，我们几乎知道肌肉是如何一个原子一个原子地收缩的。

肌肉收缩所依赖的是两种蛋白质，肌球蛋白与肌动蛋白。这两个蛋白质的构造，都是由不断重复的单元所结成的长条纤维（也就是聚合物）。较粗的肌丝由肌球蛋白构成，这是维多利亚时期的科学家起的名称，而较细的肌丝则是由肌动蛋白构成。这两种纤维，粗肌丝与细肌丝，各自被捆成一束，彼此平行排在一起，两种纤维束之间则由与纤维呈直角的横桥连在一起（休·赫胥黎在20世纪50年代首次用电子显微镜看到该构造）。横桥并非僵硬不动，而是可以前后摇摆。每摇摆一次，它们就把肌动蛋白往前推一点点，看起来就好像船上划船的水手。但是和维京长船不一样的是，这里的桨摆动得毫无规律，这些水手似乎并不想听从命令。在电子显微镜下面观察可以发现，在数千个横桥结构中，摆动一致的还不到一半，剩下大部分的桨看起来都前后不一。不过数学计算的结果显示，摆动就算不和谐一致，但总体力量也足够让肌肉收缩。

所有这些横桥结构都是从粗肌丝伸出来的，它们其实是肌球蛋白的一个子单元。从分子的角度来看，肌球蛋白非常巨大，它比蛋白质的平均尺寸（比如说血红蛋白）大了八倍。整体来讲，肌球蛋白的形状有点像**，或者其实应该说像两个**头部并排而尾巴紧密地缠绕在一起。每个肌球蛋白分子的尾巴又与其他肌球蛋白的尾巴交错排列，这让粗肌丝看起来像条绳索。它们的头部从绳索中冒出来，正是这些头部组成横桥，与肌动蛋白形成的细肌丝互相作用（见图6.2）。

图6.2　由美国分子生物学家大卫·古德赛尔（David Goodsell）绘制的肌球蛋白水彩画。左边是一个肌凝蛋白分子，图中可以看到蛋白质的两个头从上面凸出，尾巴缠绕在一起。右边是肌球蛋白形成的粗肌丝，可以看到每个蛋白质的头部都凸出来与两边的肌动蛋白连在一起，而尾部则缠绕如粗绳索。

这些摆动的横桥如何运作呢？首先横桥会和肌动蛋白纤维结合，接上去后它还会和ATP分子结合，ATP分子提供整个过程所需的能量。当ATP接上去后，横桥会马上释放肌动蛋白，往前摆动70度（用横桥那有弹性的“颈部”），之后再次接到肌动蛋白上。接上去之后，能量耗尽的ATP就会被释放出来，而横桥也弹回原来的位置，因此把整个肌动蛋白纤维往后拉。整个循环：释放、摇摆、结合、弹回，和划船几乎一模一样，每一次都将细肌丝拉动数百万分之一毫米。ATP分子在此扮演最重要的角色，没有它的话横桥无法从肌动蛋白释放，也无法摆动，其后果就是肌肉僵直。比如动物死后就是因为缺少ATP造成死后僵直的（之后由于肌肉组织开始分解，僵直会在几天之后消失）。

肌肉横桥有许多种，但结构大致相同，但在速度上有差异。这是一个超级大家族，有上千个成员，光在人体里就有大约40种不同的横桥。肌肉收缩的速度，受到肌球蛋白种类的影响。快速肌球蛋白可以快速地利用ATP，同时加快收缩循环的运行。在每种动物体内都有好几种不同种类的肌肉，它们各自有不同的肌球蛋白，收缩速度也不同。[4]不同物种之间也有类似的差异。目前已知最快的肌球蛋白是昆虫（比如果蝇）翅膀肌肉的蛋白，每秒钟可以完成数百次收缩循环，这比大部分哺乳动物的肌肉快上一个数量级。一般来说，越小的动物肌球蛋白的速度越快，因此一只小鼠的肌肉收缩速度，比人类相同部位的肌肉速度要快三倍，而大鼠则比人快两倍。已知最慢的肌球蛋白是树懒和陆龟这类运动缓慢的动物的。这些肌球蛋白分解ATP的速度是人类的1/20。

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。肌肉生物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。生物化学细节上的差异，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（Naruya Saitou）也与太田聪（Satoshi Oota）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。然而生物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。

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。

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。他会维持基本主题旋律不变，让整个作品有可被立即辨认出来的统一性。贝多芬之后，这种严谨度往往被作曲家丢弃，以便能够专注表达作曲家的情绪与想法，使作品缺乏数学之美。这让他们的作品听上去不像前人一样，他们没有把每一个隐藏的细致差别挖掘出来，没有把所有可能性都填满，作品的潜力没有发挥到极致。

音乐上既要求主题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。

提供动力的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，这些缆线又连接着更多的缆线。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。

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。瓦格纳曾说过：歌剧的音乐必定来自歌词，歌词先于一切。但是现在不会有人因为那些充满**的日耳曼式歌词而记得瓦格纳，反而是他的音乐流传下来，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，完全无须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（Tim Mitchison）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，完全无须任何复杂的进化。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，因为要用晶体学解析结构，样品一定要形成某种形式的结晶，或至少有重复的构造。