能量货币：ATP

你好，我是王立铭。欢迎来到生命科学50讲。今天是我们关于能量的第3讲。

上节课我们讲到了，对于几乎所有地球生命而言，葡萄糖都非常重要，它是储备能量的生物蓄电池。

葡萄糖释放能量，比电池放电还要复杂很多，因为它多出了一个中间环节。

什么意思呢？就是葡萄糖的能量不会直接提供给生命使用，还需要借助一个物质转一道手。

这件事看起来节外生枝，但是我可以告诉你，这点节外生枝的细节非常值得关注，因为它隐藏着非常重要的价值，甚至它还和生命起源的问题相关。

这一讲，我就来告诉你，葡萄糖这块生物电池是怎么工作的，以及，我们为什么需要这个节外生枝的环节。

ATP与ADP的循环反应

首先，我们先来了解一下这个节外生枝的化学物质：三磷酸腺苷，英语简称ATP。中学生物课本上提过这个物质，如果你印象不深了，那从此以后，一定要记住这个名字ATP。

上面这张图是ATP分子的完整化学结构。它之所以能作为能量传递的中介，和它的一个特性有关：ATP能随时轻松地砍掉自己的一条“胳膊”，也能够随时再从路边捡回一条来安上。

它砍掉一条“胳膊”，也就是脱去一个磷酸基团后，就变成了二磷酸腺苷，英语简称ADP。ADP重新装上胳膊，就又变回了ATP。

注意，ATP是一种化学性质极其活跃的物质，很容易就能和周围的物质发生反应。也就是说，它能够轻松在ATP和ADP两个身份间快速切换，区别就在于是否砍掉“胳膊”，扔掉一个磷酸基团。

这段话里化学名词可能有点多，不过不要紧，你只需要记住ATP喜欢拿自己的“胳膊”开玩笑这个特性，就可以了。

别小看这个特性，生物体利用能量的过程，就隐藏在这个特性里。

当ADP装上一条“胳膊”，变成ATP的时候，能量同时就被存储在了新生成的ATP分子中，此时它处于能量满满的“高能量”状态；

而当它砍掉那条“胳膊”变成ADP时，蕴含在分子内部的化学能就会被释放出来，它就回到了“低能量”状态。

ATP与ADP间互相切换的反应非常容易发生，这就意味着，通过ATP储能放能就是一个极其便捷高效的能量使用方案。

ATP是生物体的能量货币

讲到这里，我们已经简单认识了ATP这个分子。接下来，我们就回到那个关键的问题：为什么需要这个节外生枝的东西呢？

我先问你一个问题，不知道你有没有觉得，ATP和我们身边很常见的一个东西很像？

答案是货币。要想更深入理解ATP对于生命、对于能量的意义，我觉得货币是最好的类比。

为什么呢？我们先来回溯一下货币的出现。

远古的时候，人类只会以物易物，比如养羊的人想要一把斧头，就得牵只羊找生产斧头的人换。

首先他得找到一个生产斧头，而且同时又正好需要羊的人，这就很困难了。即便能找到，如果1只羊能换10把斧头，而那个人只需要3把斧头，那剩下的斧头就浪费了。

怎么办呢？你肯定知道，后来的人类历史上出现了货币。有了货币，一切都简单了，不管是养羊的还是生产斧头的，他们就可以直接拿货来换钱，然后用钱去换自己想要的东西。

这个时候，如果需要货币了，可以靠出卖劳动力或者资源来获取，反过来，我们手里的货币也可以花出去，用来买东西。

而这个过程中，作为中介物的货币只发生了转移，在买方和卖方之间循环使用，而并没有被消耗掉。

这和ATP的特性简直是如出一辙。如果没有ATP，葡萄糖分解释放能量直接供身体使用，就像是物物交换，太不方便了。

试想，身体里面有那么多地方需要能量，每一个细胞里都有那么多需要能量驱动的生物化学反应，总不能每个角落里都藏几个葡萄糖分子备用吧？

进一步来想，一个葡萄糖分子里面蕴含的能量是很大的，对于大多数化学反应来说，一次根本用不完，很多能量就被白白浪费掉了。

并且，葡萄糖的分解会产生乳酸、酒精、二氧化碳这样的废物，废物总得有集中处理和排放的地方吧？所有这些都限制了葡萄糖去做能量的直接来源。

因此，在葡萄糖和千百万生命活动之间，还需要一个中介，它必须方便且灵活使用，能量储存的数额比较小，并且不会产生废物。这个东西，就是能量货币ATP。

这种货币怎么用呢？我来举个具体的例子。

人们很早就知道在有些情况下，比如腐败变质，1个葡萄糖分子分解成2个乳酸分子，这个化学反应释放出的能量，正好能用来生产2个ATP。

也就是说，能给2个低能量——或者说没钱状态的ADP安装上“胳膊”变成ATP。

那么生产出来的ATP能用来干什么呢？这里有个基本概念，在身体合成蛋白质的时候，每安装1个氨基酸，需要4个能量货币，也就是说，需要4个ATP拆掉他们的胳膊释放能量。

就这样，能量之源葡萄糖通过ＡTＰ这种能量货币，就和生命活动紧密联系在一起了。

所以，ATP绝不是可有可无。有了ATP，能量交换能变得非常方便。不仅如此，ATP还起到了宏观调控和发挥规模效益的作用。

先来说说宏观调控。在经济学里，货币的出现，极大地加速了经济活动。ATP的出现也有类似的价值。

对于地球生命来说，不管是什么活动需要能量，只要把葡萄糖变成ATP，然后各个生命活动按需分配，分头去使用就可以了。不管这个活动是生产蛋白质，还是生产氨基酸；是生产DNA，还是细胞复制；是对抗疾病，还是进行智力活动。

而生物体只需要进行一些总量控制就行了。也就是某个具体的时间点，到底需要葡萄糖生产多少ATP。类比一下，这和中央银行用货币的发行量来调节经济活动，有非常相似的逻辑。

接着，再来说规模效应。人体每天消耗的ATP，总重量差不多等于人体的体重。而人体内当然没有那么多ATP分子，因此，就需要不停的循环生产和消费ATP。

计算一下就知道，每一个ATP分子，每天在人体内要被循环生产和消费2000到3000次，相当于每小时至少循环近百次。

这个速度要比人类世界的货币流通速度快得多——货币流通速度差不多是一年几百次。所以你看，如果把人体当成一个经济体，它的运行效率要比人类世界高得多。

20世纪最大的生物学谜团

这节课讲到这里，相信你已经理解了，为什么葡萄糖不直接推动生命活动，还需要一个额外的中介——ATP。

那么接下来，我们会很自然地想到下一个问题。就像研究经济活动，得搞清楚货币生产和流通的各个环节一样。研究生命活动，我们就要搞清楚能量货币生产和流通的过程。

生物学家们首先特别希望搞清一个很直白的问题：每个葡萄糖分子，到底能用来生产多少个ATP？也就是生命体赚钱的效率有多高？

结果就是这么一个看似简单的问题，捅出了一个大麻烦。

我们刚才说过，葡萄糖分解成乳酸，产生的能量能生产两个ATP。但实际上，葡萄糖的潜力要比这个大得多。比如，如果把葡萄糖彻底分解成二氧化碳和水，最多能生产几十个ATP，这是一个非常高效的过程。

但是麻烦也出在这儿，彻底分解葡萄糖到底能生产几个ATP呢？让人惊讶的是，科学家测量发现，大概是28个到38个之间，这个数字本身有时候高有时候低，居然不是一个确定的整数。

这就难以理解了，这种事在化学理论上不可能出现。

我们已经知道，葡萄糖分解释放的能量，是可以精确计算出来的，无非就是改变葡萄糖分子的化学键到底能释放多少能量。反过来，生产1个ATP需要的能量也是可以计算出来的，无非就是给ADP装“胳膊”用的能量。

所以，两个数字做除法，按理说应该能得到一个确定的数字。但是在很多人的观测和计算里，这个数字就是确定不下来。

在生物体能量转换的过程中，出现了一个很低级的数学问题。

这个问题堪称是20世纪生物学最大的谜团之一，甚至一度动摇了人们的信心。大家开始怀疑，生命体的能量活动到底能不能被科学解释？

而这个问题的解答，不仅本身是一段非常精彩的科学故事，而且还将带领我们走入更加奇幻的能量世界。我们下讲见。