細(xì)胞中的迷你工廠

青云

在自然界中，最復(fù)雜的事物是生命。每個生命都像一臺復(fù)雜的機(jī)器，每時每刻都在不停地運轉(zhuǎn)著，直到生命消亡的那一刻。生命之所以能長期運行下去，多虧了那些構(gòu)成生命的細(xì)胞。它們就像一座座迷你工廠，不斷地生產(chǎn)著維系生命所需的各種物質(zhì)……

生產(chǎn)者的綠色工廠

地球上的所有生命形成了一個環(huán)環(huán)相扣的食物鏈，其中最簡單且最重要的一環(huán)是動物依賴植物生存。植物是地球上的生產(chǎn)者，而植物細(xì)胞生產(chǎn)物質(zhì)的基本方式是光合作用。它們生產(chǎn)時所需的原料是水和二氧化碳，能源是陽光，產(chǎn)品是糖類和氧氣。葉片是進(jìn)行光合作用的重要器官，葉片中的細(xì)胞則是一個個綠色工廠，而細(xì)胞中的葉綠體是進(jìn)行光合作用的“生產(chǎn)車間”。高等植物的葉綠體需要色素來吸收陽光，色素包括葉綠素和類胡蘿卜素，它們分布在光合膜上。

組成生命的基本有機(jī)化合物是糖類、核酸、蛋白質(zhì)和脂肪。光合作用只生成糖類，其他3種有機(jī)物質(zhì)則得靠呼吸作用來生產(chǎn)。在進(jìn)行呼吸作用的過程中，植物消耗糖類以生成醇、酸、酮等中間產(chǎn)物。利用這些中間產(chǎn)物，就可以合成核酸、蛋白質(zhì)和脂肪。例如，糖類在呼吸作用時首先生成單糖，單糖分解時的中間產(chǎn)物丙酮酸是合成氨基酸的原料，而氨基酸則是合成蛋白質(zhì)的原料。在合成核酸、蛋白質(zhì)和脂肪的過程中，需要氮、磷、鉀等元素，這些營養(yǎng)物質(zhì)得靠植物從土壤中獲取。所以，在土壤肥沃的地方植物才能很好地生長，在貧瘠的土地上要讓植物長得更好就得施肥。

植物的綠色工廠不僅為動物提供了食物和能量，也能為自己帶來好處。在短暫陰雨天或干旱的時候，植物也能正常生長，這是因為它們啟用了以往生產(chǎn)的糖類、蛋白質(zhì)和脂肪，可以維系它們在幾天甚至幾十天內(nèi)不生產(chǎn)也能生存。這些物質(zhì)也有利于它們繁殖后代，在植物的種子中，就有豐富的糖類、蛋白質(zhì)和脂肪。在植物發(fā)芽和幼苗時期，“父母”們?yōu)樗鼈儍Υ娴倪@些物質(zhì)能幫助它們度過最脆弱的生命時光。

消費者的迷你工廠

地球食物鏈上的生物主要分為三類，除了植物是生產(chǎn)者外，動物則是消費者，一些微生物則是分解者。低端的消費者只是食用植物，而高端的消費者除了食用植物外，也捕食其他動物。有的高端消費者則只吃其他動物。所有這些植物性或動物性食物就是動物細(xì)胞迷你工廠中的初級原料。顯然，這些原料對細(xì)胞來說還是太大了。為了讓細(xì)胞能夠加工這些原料，動物進(jìn)化出腸胃，把食物加工成細(xì)胞可以吸收的小微粒。

消化產(chǎn)生的食物微粒通過胃腸壁進(jìn)入到血液中，血液則負(fù)責(zé)把它們運輸給身體內(nèi)所有細(xì)胞。細(xì)胞工廠有道大門，那就是細(xì)胞膜。它可以讓水分、氧氣和營養(yǎng)性小分子進(jìn)入，而不讓有害物質(zhì)輕易地進(jìn)入細(xì)胞，以此有效保障細(xì)胞的安全。細(xì)胞膜內(nèi)的生產(chǎn)車間并不是空的，而是充滿著液態(tài)的細(xì)胞質(zhì)。這是科學(xué)家推論生命起源于水的證據(jù)之一。細(xì)胞中還密布著蛋白質(zhì)纖維，它們是細(xì)胞工廠的“鋼架”，它和細(xì)胞質(zhì)、液泡一起支撐細(xì)胞，讓細(xì)胞不會輕易地坍陷。

動物細(xì)胞中有許多個重要的生產(chǎn)車間，那就是多個細(xì)胞器。一些線狀、小桿狀或顆粒狀的線粒體，是細(xì)胞的“動力車間”。線粒體是細(xì)胞進(jìn)行呼吸作用的中心，它能將營養(yǎng)物質(zhì)氧化產(chǎn)生能量，供給細(xì)胞進(jìn)行其他生理活動的需要。橢球形的核糖體是合成蛋白質(zhì)的重要基地，有些附著在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的外表面，有些游離在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中。細(xì)胞核是細(xì)胞的繁殖基地，遺傳后代的DNA物質(zhì)在這里生產(chǎn)。溶酶體是細(xì)胞的“保衛(wèi)基地”，其中有囊狀小體或小泡，內(nèi)含多種水解酶，能夠分解外來的有害物質(zhì)，也能消化分解細(xì)胞內(nèi)損壞和衰老的細(xì)胞器。

效率驚人的超級細(xì)胞

在實際的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，科學(xué)家們還希望尋找到一些效率較高的細(xì)胞，用于滿足人們對某些物質(zhì)的特殊需求。這樣的超級細(xì)胞有的存在于自然界中，只需要科學(xué)家去發(fā)掘就可以了。比如，近年來石油需求十分迫切，人們需要一種產(chǎn)油量大的植物來生產(chǎn)生物燃油。微藻細(xì)胞的光合作用效率非常高，可直接利用陽光、二氧化碳和含氮、磷等元素的簡單營養(yǎng)物質(zhì)快速生長，并在細(xì)胞內(nèi)合成大量油脂。因此，微藻為生物柴油生產(chǎn)提供了新的油脂資源，而且它有比較優(yōu)勢。與玉米、大豆和油菜等油料作物相比，微藻的生長周期短，從出生到可以制油只需要2個星期，而油料作物一般需要幾個月。此外，微藻還不會占用耕地，利用灘涂、鹽堿地、荒漠，以及海水、鹽堿水和荒漠地區(qū)的地下水等就可開發(fā)出大規(guī)模的“微藻油田”。

而更多的超級細(xì)胞則得靠科學(xué)家利用生物技術(shù)來獲得。我們可以把一個細(xì)胞看成一臺電腦，細(xì)胞內(nèi)部的各個細(xì)胞器，就好比電腦內(nèi)部的主板、內(nèi)存、硬盤等模塊。由于細(xì)胞有些像電腦，生物工程師也可以像升級電腦那樣來升級細(xì)胞，他們把一些獨特的基因元件“裝配”到一些細(xì)胞中。比如美國加州大學(xué)洛杉磯分校的基斯林教授等人，將植物黃花蒿中與合成青蒿素相關(guān)的多個基因?qū)氲搅酸劸平湍讣?xì)胞中，使酵母細(xì)胞能夠利用簡單的葡萄糖合成青蒿酸。數(shù)以億計的酵母細(xì)胞可以組建成真正的大工廠，每天生產(chǎn)數(shù)十噸藥物。