身体的缆绳

要说我们的身体是蛋白质组成的许多细胞共同体，这一观念其实并不符合我们的体验。我们会感知到身体是各种结构的交织，包括皮肤、骨骼、肌肉、毛发和指甲。这个材质框架具备让我们与周围世界互动的必要性质。皮肤外表只是一个保护层，细胞一旦形成了这样的组织就会按既定程序死亡。起到保温隔热作用的毛发也是这样。指甲同样如此，它们其实是过去能够抓、刺、撕、扯的爪子在进化过程中的残余。骨骼和牙齿主要由坚硬的无机材料磷酸钙组成。这些材料中的大部分都在我们的一生中不断更新，也有一些不更新，如眼球晶状体中的蛋白。

身体中的这些自然材料发挥着机械性的作用，维持身体结构完整。它们就像楼房中的砖块、大梁和外墙，保护工人们免遭坏天气的侵扰，并在其中安置正常经营所必备的复杂电线和水管。身体很多结构组织都是蛋白质。组织蛋白和酶不同，不需要执行那些精巧的化学变化，它们无非得有（例如）坚韧、有弹性或者防水的特性罢了。原则上讲，许多非蛋白质的材料也都满足这些条件，如植物就是用纤维素（基于糖的聚合物）来构建自身组织的。但蛋白质的奇妙之处在于可以千变万化。它的分子链可以编织成强韧的纤维，而交联注或交缠起来则可以形成角或者爪子的坚硬基质，或者形成有弹性的薄层。而且，制造蛋白质所需的原材料在细胞中非常充裕。蛋白质是在基因中编码的，所以赋予结构蛋白力学性质的相应分子特征可以精细地调节，整个分子可以可靠地复制。

人体中含量最大的一种结构蛋白占全部蛋白质总质量的四分之一，这就是胶原蛋白。这是一种比较简单的蛋白质，其链状分子中大部分是两种氨基酸：甘氨酸和脯氨酸。分子链中每三个氨基酸就有一个是甘氨酸，中间夹着脯氨酸和别的氨基酸（尤以赖氨酸为多）。中间的脯氨酸单元经过化学修饰，加上了一个氧原子。这一过程有维生素C的参与，这也就是人体需要维生素C来保持组织健康的原因。缺乏维生素C将导致坏血病，病因就是损坏的胶原蛋白没有被替换。

天然的蛋白质结构材料与大多数合成的聚合物塑料有所区别，胶原蛋白就是一个例证。这两类材料都是由链状分子组成的，但在结构蛋白中，分子链经过复杂的排列整合在一起，形成了更厚重的小纤维，就像细线编织成麻绳那样。小单元组织成大的结构，大结构又组织成更大尺度的结构，这种逐层组织结构要素的排列方式称为层级结构。建筑师们也学会了利用相同的原理：例如，在古斯塔夫·埃菲尔标志性的铁塔中，有的支柱是由小钢梁的网状结构组成的，而这些小钢梁又有一部分由更小的钢梁组成（如图13）。

塔的设计有很多种，胶原蛋白也表现出若干种不同的大尺度结构，但所有的结构都是从基本的小尺度元素构建起来的（如图14）。每条胶原蛋白分子链会卷曲成螺旋状。三条链相互缠绕，形成绳索一般的三螺旋“微纤维”。这些微纤维又通过不同方式相结合。比如，它们可以交错排列形成较粗的股，称为纤维束。由于交错排列，在电子显微镜下就能够观察到它的暗条纹。纤维束组成了细胞之间的结缔组织，就是将我们的肉身束缚在一起的绳索。骨骼中包含点缀有羟基磷灰石（主要成分是磷酸钙）微小晶体的胶原纤维束。因为含有大量的蛋白质，所以骨骼柔韧有弹性，同时又很坚固。

不过，胶原纤维自身并不算特别强劲，因为其中的分子并没有相互连接或者相互交缠。而其他种类的胶原蛋白含有微纤维的交联结构，组成某种坚韧的网络。外层皮肤与内层皮肤相隔离的膜就是由这种结构形成的。

结缔组织中是无序缠绕的结构，与此相反，眼角膜则由胶原纤维有序地排列堆积。这些纤维太小，不足以散射光线，因此这种材料几乎是透明的。由此我们能看到一条自然界中随处可见的基本设计原理：通过调整化学成分，以及——最重要的——改变相同基底分子的层级排列方式，我们有可能得到多种不同的材料性质。

胶原蛋白还可以组成肌腱和韧带这种强韧而有弹性的结构，并构成坚固的牙质。而我们的体表——如皮肤、毛发、指甲，以及动物的角和蹄，其中的蛋白质则属于另一类。这些组织的主要成分是角蛋白，这是另一种有着层级结构的纤维。角蛋白的分子链同样也弯曲成螺旋状，两条一组卷曲成束：两条这样的分子束再次相互缠绕形成“超螺旋”，称为原纤维；八条原纤维结成一簇，就形成了角蛋白的基本绳索。类角蛋白的蛋白质通过硫原子交联，形成不规则的阵列，包裹住角蛋白纤维，就像混凝土把钢筋包裹起来那样。而交联决定了材料的硬度，比如毛发和指甲中的交联就比皮肤更为紧密。通过破坏硫原子的交联作用，我们可以让头发变得更柔顺，于是就可以将卷发拉直。

毛发是一种很有用的天然纤维，但大多数胶原蛋白和角蛋白组成的材料并不是线状的，而是薄层状（比如皮肤）或者块状的（比如角或蹄）。在分子尺度和显微镜尺度上，这些材料都呈纤维状结构，其原因在于，对于单细胞制造体系而言，造出这样的结构比造出其他结构——比如铸造固体块——要来得简单。但在这之后，生物体就将微纤维组织成了其他的形状。