能量之源：葡萄糖

你好，欢迎来到生命科学50讲。我是王立铭。

上一讲，我们谈到如果把生命比作大厦，那么只有砖头瓦块还不够，必须要通过人的力量将大厦搭建起来，也就是必须要有能量的驱动，生命活动才能发生。那么能量是从哪来的呢？我们先从一个日常的例子引入今天的内容。

我是两个女孩的爸爸。自从老大降生之后，这些年我们一家大人都在和小家伙们斗智斗勇。

其中一个大难题是怎么让孩子吃饭。在不断的斗争中，我发现，我们大人给孩子讲道理的时候特别爱说一句话：“你得好好吃饭，好好吃饭才有力气。”

作为一个生物学家，我觉得这句话特别有趣。这么一句家常话，有趣在哪呢？

我来问几个问题吧：

• 吃饭怎么就能让人有力气呢？
• 力气是什么？
• 饭在肚子里产生了什么变化，又是怎么变成力气的？

你看这样追问几次，是不是开始涉及超越常识的信息了？

要是进一步换成薛定谔的语言，我们这个问题就是：生命赖以生存的负熵，是如何具体推动生命活动的呢？

从今天开始，我们要用3节课的时间说清楚能量，说说从吃饭到有力气，这之间到底发生了些什么。

葡萄糖是身体的蓄电池

能量从哪儿来？

吃饭当然是动物最直接的能量来源。但食物里的能量是从哪里来的呢？植物不吃饭，能量又从哪里来呢？

你现在一定想到了太阳。

是的。太阳是几乎一切地球生命的终极能量供给者。太阳光里蕴含着巨大的能量。

有多大呢？

全人类每年使用的所有能源加在一起，差不多也就是抵达地球的太阳光里蕴含能量的万分之一。

请注意，是抵达地球的太阳光。因为太阳光是照向整个宇宙空间的，而抵达地球的太阳能，只占太阳总辐射量的几十亿分之一。

所以你可以想象在太阳周围的宇宙空间里，蕴含着多少可供利用的能量。

当然了，除了太阳能，我们其实还有很多其它的能量来源。

• 比如来自大地深处地幔和地核的热量，这种能量也可以被生物利用；
• 比如化学反应产生的能量；
• 比如放射性物质衰变产生的能量。

所以，在地球环境中，能量和生命物质一样，并不难获取。

既然能量并不稀缺，那么是不是能直接被生命利用呢？生命使用能量的方式，是不是像烧开水一样，点火，水被加热变得滚烫；灭火，水很快变凉呢？

显然不是这样。如果生命是以这种方式使用能量，那么在没有阳光的夜里，植物应该一夜就灭绝了；在没有食物供给的情况下，动物应该很快就能量耗尽饿死了。

所以，生命对于能量的使用，一定有一套独门秘籍。它能够把环境能量转换为自身的能量储备，先存储起来，然后再根据机体的需要使用。也就是说，生命的躯体里一定有一块蓄电池。

这个蓄电池是什么？不同生命体，使用的蓄电池一样吗？

为了回答这个问题，大家慢慢把注意力聚焦在一个特殊的化学物质上——葡萄糖。

这种化学分子其实200多年前就发现了，发现者是德国化学家、分析化学的祖师爷玛格拉夫（Andreas Sigismund Marggraf），他从葡萄干里分离出了这种分子，所以才起了这个名字。

后来大家逐渐发现这种物质似乎到处都有，很多生物体内都能提取出这种物质。到了20世纪初，大家才意识到这是为什么——对于今天的地球生命而言，葡萄糖就是一个普世性的能量来源。

所有的动物、植物，也包括大多数细菌、真菌这样的微生物，都是从葡萄糖这种分子里获取生命活动所需要的能量的。

即便是可以直接利用太阳能的植物，也是先利用太阳能制造葡萄糖，然后消耗葡萄糖，驱动生命活动。而对于动物来说，就更简单了，它们可以直接从食物里获取葡萄糖，然后消耗葡萄糖，驱动生命活动。

我们人类更是如此，要知道，面包、米饭、玉米、土豆里，最不缺的就是由葡萄糖分子聚合而成的淀粉。而微生物制造葡萄糖的方法就更多种多样了，它们可以利用太阳能，利用各种各样的化学能，来制造葡萄糖。

这就是说，小到细菌，大到蓝鲸，所有的生物体内真的都有一个共同的能量之源——葡萄糖，它似乎是生命诞生时的标准配置。

生命体选择葡萄糖的两大原因

那么，为什么演化偏偏选择了葡萄糖？

当然，严格来说这是个无法回答的问题，如果时光倒流一次，地球生命很可能走上完全不同的演化路径。

但是作为能量储备，葡萄糖确实有两个特别明显的优势，哪怕地球生命决定换一个蓄电池，它肯定也得满足这两条。

第一个优势是葡萄糖的分子结构稳定。一旦被制造出来之后，在地球生命体内部，可以储存相当长的一段时间。而且，制造葡萄糖的原料又极容易获得。

那这个特性有什么用呢？

你看，虽然自然中存在的能量很丰富，但不稳定。比如太阳落山，这是对生命的最根本的威胁。因为葡萄糖极其稳定，所以地球生命一旦学会了制造、储存和使用葡萄糖，就能摆脱对环境能量的高度依赖。

植物学会了制造和使用葡萄糖，就能够跨越黑夜；动物学会了利用葡萄糖，就有了自由活动的可能，不用从早到晚一直守在食物边上，不停地吃东西。

我们甚至可以再开开脑洞：

几百年前，欧洲的探险家能开启大航海时代，把世界各地的人联系在一起；宇航员能飞向太空，慢慢开始探索整个宇宙，归根结底是因为人类能够利用像葡萄糖这样的化学物质，作为稳定的能量储备。

这样只要出发的时候，随身多带一些食物，比如面粉、土豆、太空食品，就能开始一场说走就走的旅行了，这个意义不可谓不重大。

葡萄糖的第二个优势是存储的能量很容易提取。葡萄糖虽然稳定，但却不是个老顽固。生命有需要的时候，它能随时方便地以不同形式、逐渐释放能量。

我们先来看看葡萄糖分子的结构，这对理解葡萄糖的特性很重要。

葡萄糖分子由6个碳原子、12个氢原子、6个氧原子组成。这些原子之间能够形成稳定的化学结构，我们一般叫做化学键，这个概念我们在中学化学书上学到过。

再形象一点理解，就是在1个葡萄糖分子内部，碳原子和氧原子，氧原子和氢原子，碳原子和碳原子，能够紧紧拥抱在一起。

当发生化学反应的时候，这些原子被强行分开，这个过程就像你把两个拥抱在一起的人分开一样，是需要用力气的——也就是需要能量的。

分开之后呢，这些原子又能重新组合起来形成新的化学键，形成新的化学物质，这个过程相反是可以释放能量的。

那你可以想象，第二步释放的能量只要超过第一步需要的能量，加和的结果就是能释放多余的能量。葡萄糖分子在不同的生物体内、不同的环境下，能够比较容易地发生各种各样的化学反应。

比如说分解产生乳酸，产生酒精，或者被彻底分解成二氧化碳和水。在这些过程中，多少不一的能量就能被释放出来，驱动生命活动。

举两个例子：

• 你剧烈运动之后，是不是总觉得身体很酸？
• 你知道用粮食酿酒的酒精是怎么来的？

生物学家们在研究肌肉收缩和酵母发酵时发现，这两种生命活动都产生了葡萄糖的化学反应，并释放了能量。

在肌肉收缩的时候，1个葡萄糖分子能分解成两个乳酸分子同时释放能量，而乳酸会让你觉得身体很酸疼。在发酵的时候，1个葡萄糖分子能变成2个酒精分子同时释放能量，而酒精可以用于酿酒。

换句话说，两个风马牛不相及的生命活动，背后都是同样一种能量蓄电池在驱动。

因此，葡萄糖这种能方便、快速释放能量的优势，使它成为生命储存能量的不二选择。需要能量的时候，只要把葡萄糖投入化学反应，它就能或者分解成乳酸，或者分解成酒精，或者分解成二氧化碳和水，并释放生命所需的能量。

好了，这节课就到这里。今天我们一起认识了所有生命体中共有的能量之源——葡萄糖。它让生命能够稳定存储能量，同时又能灵活释放能量。

我们吃的饭，会先转化成葡萄糖，作为能量存储起来，等待身体的调用。当你的肌肉需要持续收缩的时候，比如跑步健身的时候，葡萄糖就完全可以通过刚才咱们描述的过程，释放能量，变成肌肉收缩的力气。

那么身体是如何调用能量，然后变成力气的呢？剧透一下，我们正在接近生命一个特别神奇的机制。后面两讲，千万别错过。我们下节见。

因为有葡萄糖这样稳定的能量储备，我们才能开始一场说走就走的旅行。