糖钟_宇宙时间奥秘
我们身体中的细胞必须具有集中能源的手段。这样，细胞才可以与时间之箭交战，而不被时间之箭拖进热动平衡和死亡——时间之箭最原始的面貌。一群错综复杂的化学反应将食物的能量转化为细致的生命机制。植物动物只是在持续远离平衡的状态之下，才能产生生命必需的生理秩序。它们的细胞需要能量帮助消化，帮助合成生物化学剂。这样才能产生浓度梯度，肌肉才能收缩，体温才能保持等等。
我们的家庭生活靠煤气或电。身体中的直接燃料叫“腺苷三磷酸”（ATP），是一种富有能量的关键生物分子。如要生命继续下去，ATP 必须合成。ATP 载能用的是一个高能化学键，它像一个压紧的弹簧，其中牵涉到化学家所谓的磷酸群，由四个氧原子围绕一个磷原子组成。ATP 一旦失掉磷酸群，就退化为“腺苷二磷酸”（ADP）。反过来，ADP 也可以经由磷酸化这一过程，进化为 ATP。
绿色植物利用日光把 ADP（和糖类）合成为 ATP，此过程叫光合作用。而动物则用呼吸制造 ATP。动物吸取糖类和脂肪，然后在它们细胞中名为粒线体的特殊操作单元，用呼吸从大气得来足够的氧气，燃烧这些材料。燃烧在一串连锁反应中进行，这些反应彼此策应好像手表中的齿轮。产生的废料就和一般燃烧的结果一样——水和二氧化碳。此种新陈代谢途径叫呼吸链。
然而，并非所有细胞都从阳光或氧气中取能。有些用呼吸链的二等代用品——酵解，使葡萄糖发酵，将葡萄糖分子一截为二，这样制造的 ATP 要少得多、巴斯德 1861 年对酵母进行实验时，指出这些贫氧过程的效率远比富氧过程的效率低。正如一位幽默家所说：“这些实验证明了，没有空气，生命不是不行，只是太贵——就像今日纽约一样。”原始单细胞有机体，诸如也出现在酸乳酪中和食物中的酵母，即使没有空气，也能依靠酵解继续生存。蚝、绿海龟等生物也这样，它们大部时间生活在水底。甚至在人体中，酵解也起作用，尤其是在血液输送有限的地方，例如正在进行剧烈活动的肌肉。
在光合作用、呼吸链、酵解这三种能源中，生物化学钟一直滴答前
去。我们了解最清楚的是酵母中的酵解。酵母是个别独立生活的细胞，有一种酵母生活在葡萄皮上面，使葡萄汁变成酒的就是它。发酵时产生的不仅是酒精（乙醇），还有别的产物，总数达五百种左右，它们之间的比重决定酒的质量。此过程人们熟知，古代文明人都早已知道。根据布鲁塞尔自由大学的巴布罗
（A）ADP 浓度和 ATP 浓度的周期性振荡。（B）ADP—ATP 相平面中的轨道逐渐演化成一个极限环。
延兹（Agnessa Babloyantz），“有关酵解最早的记载，是埃及某座古墓墙上画的一套解说图，该墓属于法老突特摩西斯三世（前 1505—1450）的酒窖管理官”。
酿酒酵母如何把糖转化成酒精，这项迷惑、陶醉了历代科学家的研究，是现代生物化学的一个前例。因为此项研究搞得如此深入彻底，我们对生物化学节奏图案的了解，在此情况下达到最高峰。事实上，到了 1940 年左右，酵解的整个新陈代谢途径全搞清楚了。1957 年，兑森斯（L．N．Duysens）和阿米斯（J．Amesz）首次指出，酵解过程中，能量并不总是平稳地产生，有时能量以一定的节奏振荡，过程中各种中介物的浓度也同样地振荡，其中最重要不过的就是我们的富能老友 ATP。
ATP 浓度是否在时间上起伏，完全决定于当时周围糖和 ADP 的数量。振荡在生理调制中扮演何种角色，关键在此。细胞中如果只有少许 ATP （于是较多的 ADP），酵解之门就打开，制造所需的 ATP 分子，细胞或许从其储备提取淀粉或糖原；如果细胞中 ATP 很丰富，例如呼吸链工作一直很顺利，酵解通道就切断了。此调制过程叫做巴斯德效应，它实际上被单一种酶素所控制，这是一种大而复杂的生物蛋白分子，能加快某些特定的化学反应。
此酶素叫磷酸果糖激酶（简称 PFK）。经过几百万年专门朝这项功能的演化，PFK 每当 ADP 浓度足够高时就开开，每当 ATP 浓度够高时就关上。可是 PFK 是一种磷酸制剂，它利用 ATP 把磷酸群挂在糖分子上，从而使 ATP 转化为 ADP。而 ADP 本身当然又是激活此酶素的因素，使它更快地工作。这反馈恰恰就是自组织所需要的那种自催化非线性行为。
目前有数种理论模型，目的是描述糖钟是怎么走时的。一般说来最成功的是布鲁塞尔自由大学的哥尔德贝特（Richard Go-ldbeter）和勒菲弗 1972 年提出、随后由哥尔德贝特及其它合作者所补充的模型。他们把问题中所有枝节都删掉，只留下要点。开头是用十二个连锁非线性微分方程来描述；最后只用两个这样的方程，把全力集中在酶素 FKP 和生物化学能源分子 ATP。
如此极端简化的好处是：描述其中节奏的方程和描述布鲁塞尔振子
的方程就很相似了。如上所述，它的化学钟性质可以表示为一个极限环。如果浓度适当，糖钟里 ATP 和 ADP 的含量便顺着一个圈，像跳华尔兹舞一样，变化周期大致一分钟左右，和实验值符合很好（参见图 22）。这样，酵解节奏是生物界耗散结构、时间上自组织图案的第一个公认的实例。
有节奏的生物化学过程已发现许多，这些过程有的牵涉单独的酶素，例如自催化剂辣根过氧化物酶和乳酸过氧化物酶，有的牵涉到一群酶素。一如生物钟，这些振荡子对细胞内外信号的传送，以及诸如胚胎细胞有的变为脑细胞、有的变为肝细胞的分化过程，都起作用。和前面讲过的情况一样，凡是秩序以可预测的循环形式出现的场合，混沌也就出现，其中振荡的频率幅度不住地作不可预测的变化。有规振荡和混沌振荡，在植物用以转化日光为能的光合作用、细胞“发电厂”粒线体的呼吸之中，我们都不能忽视。
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