生物生长与合成

生命体最显而易见的本领是生长。生命体生长是细胞生长和细胞分裂两种过程的结果。人类和许多其他生物一样，长到一定大小后，体积就基本保持不变。但我们体内的所有组织都在不停地更新，有些组织更新的速率甚至快得令人难以置信，与此同时，我们体内的多数细胞也在不停地生长着，形成新组织，替代旧组织。显然，生物体需要摄入食物并将其转化为自身的组成部分。古语有言：“人如其食。”我们在把食物中的一些分子转化成身体的组分时，还会产生一些废物，如二氧化碳、水和尿素。能进行光合作用的生物则会将这些废物转化成自身细胞的组分。无论哪种方式，本质上都是原子从环境中进入了生长中的生物体内。

从根本上来说，生长是一个化学过程。在分子间发生相互作用的过程中，各自的原子互相施力使得旧化学键断裂、新化学键生成，于是，产生化学反应的分子间会发生原子的重新组合。举个例子，在一些热量的帮助下，空气中的氧气会与木炭中的碳原子结合形成二氧化碳。这是木炭燃烧时的产物，由于碳氧原子间形成的新化学键所含的能量比原来的碳原子和氧原子自身的化学键少，所以这个过程会释放热量。二氧化碳分子可以进一步与水分子结合形成碳酸：H₂O+CO₂→H₂CO₃。

生命体的存活依赖于这样的化学反应，因为每一个细胞都必须从环境中摄取各种分子，然后将其转变为自身结构的组成部分，同时从中获取能量。例如血液中必须要有持续的葡萄糖供应，因为我们身体的所有细胞都需要利用这些糖产生能量。细胞还会通过重新排列糖中的碳、氢、氧原子，形成结构复杂的蛋白质等大分子来维持新陈代谢和生长。

生物体自产自销的过程被称为“生物合成”，主要发生在细胞内。我们可以把细胞想象成一座工厂，但不是生产汽车或电视机，而是复制自身的工厂。工厂通常以流水线的形式运作，每个工人负责组装一个基本部件，依次运作直到整个产品完成组装。而像汽车这样复杂的产品，需要多条流水线来制作不同的部件，最后再完成整车组装。

生物体自我合成的过程都是相同的，所有涉及的化学反应称作代谢，每一条流水线叫作一个代谢通路，其中被转化的分子叫作代谢物。在每一个代谢通路中，代谢物经过一步一步地添加或删减原子、原子团，最后被转化成终产物。一个代谢通路可能包括一系列反应：第一步，一个分子中的两个氢原子从相邻的碳原子上被移除；第二步，一个分子的水被添加到这两个碳原子上——H给其中一个碳原子，OH给另一个；第三步，氢原子从OH上被移除，使氧原子和碳原子双键连接；第四步，一个NH₂基团添加到另一个碳原子上。这些变化必须一步一步进行，因为化学反应本就如此，每个正常细胞都包含成百上千个代谢物。

这样的代谢通路基本是用来合成细胞所需要的单体和小分子的，有些则负责分解食物中的分子并释放其所含的能量，这些能量之后会被用于生物合成等过程。细胞拥有的各种代谢通路能合成组装蛋白质所需的20种氨基酸、组装成多糖的每一种单糖和脂质等。所有这些通路的终产物之后都会被装配到蛋白质或细胞膜等结构中去。