《生命科學50講》課程筆記4--生命的基本組成單位:細胞
恩格斯說19世紀最重要的三個科學發現：自然選擇、能量守恆定律、細胞學說。
細胞把維持生命活動的物質、能量和自我複製的機能緊密包裹在一起，和外界環境隔絕開。
有了細胞的存在，生命活動才有可能變得很複雜。生命現象的多源性是由蛋白質分子之間的協同效應產生的。而細胞正好提供了這個場所。
細胞膜
細胞膜把生命物質和生命活動包裹，和外界分開。
因為細胞膜太薄，所以人們一直猜測它存在，但是一直觀測不到。
450年前，英國科學家胡克用自制的顯微鏡觀察軟木塞，看到了蜂窩一樣的微小結構，他把這個結構叫做細胞(實際上是軟木的細胞壁)。
人們第一次意識到，生物體可能是由很多個微小的重複單元--也就是細胞組成的。
200年之後，兩個德國科學家，植物學家施萊登和動物學家施旺繼續發展了胡克的研究。
他們提出：不管是動物還是植物，構成它們身體的都是一個一個微小的細胞。
但是隻是猜測，因為人們在顯微鏡下面始終沒有看到傳說中的這層膜。
有人還提出了不同的理論，比如細胞內的物質像膠水一樣粘合在一起等。
從18世紀開始，生物學家發現動物的紅細胞會變大變小。在某些水溶液裡會縮成一小團，在某些溶液裡，細胞又會腫脹得很大。
這種現象支援了細胞膜的存在。想象一個裝滿水的氣球，水流進去就變大，流出來就變小。
到了19世紀末，英國科學家歐福頓發現，並不是把細胞丟在什麼溶液裡，它都會像變戲法一樣長大縮小的。
如果是鹽溶液，就可以，而是脂類分子溶液就不行。
歐福頓猜測，細胞膜對於鹽分子和脂類分子的通透性是不一樣的。可以讓脂分子自由通過，而鹽分子就不能通過。
他設想：這層薄薄的細胞膜就是由脂類分子構成，特別是膽固醇和磷脂。
但是有一個問題是：脂類分子是怎麼形成一層膜的呢？
脂類分子特別討厭和水分子接觸，為了儘可能減少和水分子的接觸面積，會縮成一個緻密的小球，儘量藏在小球裡面不和水分子接觸。
這樣的話細胞膜的結構就沒法穩定存在。
1925年，荷蘭科學家高特和格蘭戴爾用化學方法從一大堆細胞裡面提取了脂類成分。
可以想象，如果細胞膜存在，並且真的是由脂類分子組成，那麼肯定也會被提取出來。
高特把脂類成分鋪在水上，最終鋪成一層分子的厚度，計算這層油脂的面積有多大，結果發現細胞裡面提取出來的脂類成分總面積正好是細胞表面積的2倍。
這樣一來就知道了，細胞膜確實是脂類分子組成的，而且不是單層膜，而是兩層分子構成的雙層膜。
膽固醇和磷脂分子有一個性質，就是分子的頭親水，尾巴厭水，這樣如果它們把尾巴藏在兩層膜的中間，頭和內外的水結合，這樣形成的膜結構就會特別穩定。
到了20世紀中期，人們用電子顯微鏡第一次看到了這層膜。它非常薄，遠遠低於任何光學顯微鏡的最大解析度。
其實磷脂分子非常容易形成膜。
在實驗室中，只要把磷脂分子放在水杯中，那個玻璃棒拼命攪動幾下，就自發地形成和氣球一樣的膜結構。
第一個細胞是怎麼產生的
是先出現細胞膜還是先出現蛋白質、DNA等分子的？
先出現細胞膜的話，蛋白質、DNA分子沒法穿過膜，進入細胞內部。
先出現蛋白質、DNA分子的話，這些分子是自由擴散的，沒等細胞膜形成，就擴散不見了。
如果是一堆磷脂分子正在緩慢地聚整合空心球，恰好它們中間漂浮著幾個DNA、RNA、蛋白質分子,這樣的概率實在是太小了。
科學家提出了三種可能的假說：
1.在早期的細胞生命中，細胞膜還沒有像今天這樣封閉，物質得以進來，後來細胞膜才慢慢封閉的。但是這種假說又要回答：是什麼讓細胞膜越來越封閉，在這個過程中，如何保證生命物質不會全部流失的問題。
2.生命物質不需要進入細胞膜，完全可以待在細胞膜外面，而且可以通過某種方法固定在細胞膜表面，不能自由離開。然後不知到了什麼時候，細胞膜發生了一個大尺度的翻轉，本來附著在細胞膜外的物質就翻轉到內側。這種猜測的問題是邏輯上沒問題，但是沒有多少實際證據的支援，有一個間接證據是今天的地球細胞確實有摺疊扭曲細胞膜的能力。
3.ATP合成酶的小孔是天然的通道。ATP合成酶可以看做一個分子機器，可以在細胞膜上鑽出一個小孔，插進去一個帶著三個葉片的水力發電機，當氫離子穿過這個小孔流動的時候，可以推動葉片轉動，產生ATP。雖然今天的ATP合成酶小孔比較窄，只允許氫離子這樣非常小的物質通過。但是，有進化生物學的證據顯示，在數十億年前，古老的ATP合成酶可能有很大的孔。隨著時間推移，越來越多的蛋白質被製造出來代替ATP合成酶完成運輸物質的功能，ATP合成酶就只製造能量，細胞膜變得越來越封閉。
這三種可能的假說都還沒有被證實或推翻。
細胞的能量線粒體
細胞為了能夠製造更多的能量，可以擴大細胞膜的表面積，增加ATP合成酶，但是這種擴大也伴隨著細胞能量的消耗增大，簡單算來，細胞表面積的擴大是4PIr^2，但是體積的擴大卻是4/3PIr^3，即能量的增加趕不上消耗。所以細胞表面積的增加有個天花板。
這個天花板由於有了線粒體而突破，線粒體上面分佈著大量的ATP合成酶。
由於有了線粒體，細胞的體積可以擴大到原來的千倍。
而線粒體是怎麼來的呢？一種極有可能的推測是在15-20億前，在地球生命出現20多億年之後，有一個細胞在一次捕食動作中，吞噬了一個體型較小的細胞。
而常規來說，這個小細胞會被分解消化，但是這一次並沒有，而是在這個捕食者的細胞內住了下來。
這個小細胞把自己生產出的大部分ATP交出來，換取自己的生存和居住權。
在漫長的演化歷程中，這個小細胞褶皺越來越多，生產ATP的能力越來越強，變成了ATP工廠，也就是線粒體。
支援這個猜測的證據有：
- 線粒體和在細胞內部其他的所有細胞器都不一樣，它擁有自己的一套遺傳物質，在細胞自我複製的時候，也會自我複製，然後一分為二進入後代細胞體內
- 線粒體會自己生產自己需要的蛋白質，並不完全依賴細胞本身的蛋白質機器。
- 線粒體的膜，也就是安放ATP合成酶的地方的化學成分和細胞膜不一樣，更像細菌。