一直觉与反直觉
直觉（intuitive）和反直觉（counterintuitive）是科学讨论在描述一个科学理论或者发现的时候，经常使用的二分法。这个叫法本身并不那么科学和严谨，但是其中的意味却是无限深长的。
既然不严谨，我也不去定义它，只看范例：
最简单清楚的直觉理论，在古希腊科学有很多范例。比如“物体排开的水量等于它的体积”。比如欧几里得平面几何中的公设和简单定理。“凡直角都相等”，“两点之间直线最短”，初学几何的人，都会想这不是废话吗。等到用这些废话为基础武器，逐步分解，证明了其他复杂得可怕的理论，我们才知道废话的精辟之处。这就是直觉理论最原始的特征：不言而喻。然而，即使在这种萌芽时代的智慧中，也埋下了“反直觉”理论的种子，比如仅仅“篡改”了一条欧几里得公设，就闯出一片新天地的罗氏几何。

牛顿第三定律是另一个直觉理论的例子：作用力必然导致反作用力。这看起来也是不言而喻的废话。但牛顿第一定律就不是了：“物体将保持它的运动状态，直到外力改变它”。这是一个相对原始的反直觉理论。在今天，初中物理课修完的同学也许会不同意这是反直觉的。但是在牛顿的年代，这却是彻头彻尾的反直觉。无数牛顿之前的大学者，都理所当然地认为物体要保持运动，必须不断注入外力。这才是费劲力气保持各种物体运动的古代人类的“直觉”。另一个直觉对阵反直觉的著名例子是伽利略对阵亚里斯多德（我不叫它“比萨斜塔实验”，是因为这个传说本身是有误的。但是双方的论点是明确无误的）。“更重的物体下落更快”，这样既简单又错误的直觉，连亚里斯多德这样的智者都不能免俗。可以保证，即使在21世纪的今天，一个纯文盲多半仍然会有这样的直觉。

直觉与反直觉是相对的，也是可以培养的。经过一定科学训练的人（比如说读完初中物理），他的直觉会超越两足动物的局限，随着训练的程度达到新的精确度，比如说把牛一定律变成他的直觉。但一个人具体的生活年代和环境，并不反映他应有的直觉水平，或者他的直觉正确程度。比如我95岁的奶奶（文盲），直到今天仍然不同意我说的地球围着太阳转。比如美国仍然有20%以上的人认为地球生命历史不超过4000年。
十八、十九世纪是直觉型科学理论达到顶峰的年代。能量守恒定律（在不久以后就将被“反直觉”理论给河蟹了），热力学第二定律（“一个房间不花力气整理只能越来越乱”），在它们刚刚被提出的年代，文盲仍然会认为是反直觉的，受过良好科学训练但非专业的头脑，一听到就知道是正确的。而真正的前沿研究者则是醍醐灌顶：“这么简单明白，怎么我就没有归纳出来呢？”非常精彩，非常辉煌，但在物理学上，一般人类直觉能够企及的高度也就到此为止了。接下来的爱因斯坦、海森堡、薛定谔，一个比一个猖狂地反直觉。相对论刚刚提出的时候，不要说普通人，就是顶尖物理学家，也认为爱因斯坦简直是在说胡话。对今天世界上99%的人来说，相对论和量子物理仍然是胡话。然而我们现在都知道，他们是正确的。因为广岛真的被炸掉了，我们车上装的GPS也真的用上了相对论校正。

“反直觉”的优势在现代物理学中很清楚。能够以普通人类直觉发现的真理，基本都被发现了。剩下的真理必然都很古怪难以接受。在这样的高度还去依靠直觉，多半都要犯错误。比如爱因斯坦的“XX不掷骰子”，听起来很美好很庄严，结果证明错误。同样是老爱的坚信宇宙密度常数等于1，宇宙会无限震荡，听起来很和谐很完满，从现在的证据看来，也是错得离谱。即使是无数物理学家（再一次包括老爱）追求的圣杯：统一场理论，也是一个高级的直觉型假设，前景仍然不妙。总之在现代物理学中，寻求反直觉的答案，克服直觉障碍去接受和欣赏反直觉的理论，反而被养成了研究者的本能。看看霍金有多少胡话（姑且不说他的胡话站得住脚不），以及被学界和起哄界怎样异口同声地热捧。

这篇文章要介绍的化学渗透理论，就被誉为二十世纪最伟大的“反直觉”生物学发现，虽然它并不为公众熟知。这里所说的直觉，并非一般常识，已经是二十世纪生物学家和化学家中非常精深的理论直觉了。然而当直觉走入死胡同时，一个“怪异”程度不下于相对论或者进化论的新理论蹦了出来。它在初期所受到的不公正待遇，以及它最后的辉煌成功，都是可以相提并论的。

二背景
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作为一篇关于生物化学的科普文章，我决定不写公式，不写化学反应方程式，不画图表。
希望严谨的读者能原谅这点小小的文字技巧上的虚荣。
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二十世纪最伟大的生物学发现（甚至可以夸大到“科学发现”），公认是沃森和克里克确定生物遗传物质是DNA，以及DNA遗传的生物化学机理。这是一个标准的直觉式发现。沃森在搞清楚DNA的双螺旋结构之后不到两个星期的时间内，就洋洋自得地告诉克里克：“我想我发现了生命的秘密。”这种从结构到功能突破性的跳跃，来自于沃森作为化学家的直觉：分子结构宣示分子功能。双螺旋意味着互为模板以及无限扩充。四个碱基两两配对意味着精确、无损的信息复制。从碱基翻译到氨基酸的简单语法意味着有限、简练的基本指令集。
生物遗传的稳定性和精确性在DNA的结构中得到完满解释，从一个生物化学家的视角来看，这个跳跃简单明晰不言自明，足以让沃森和克里克之外的所有人把自己的脑袋拍肿。这个理论的被接受程度，也是犹如星火燎原，一夜之间清洗了所有研究者的大脑，改变了整个生物学研究的版图。

这个发现还运用了一个更深层次、更广泛的科学直觉现象。那就是自然科学的层次结构。自然科学中的各个领域，并不是齐头并进的，其中一些学科是另一些的天然基础。最主要的一个层次系统是这样的：
物理学-->化学-->生物学-->医学，人类学，心理学-->社会科学
越前面的越基础，每一种科学也许人类开始认识的时候是独立的，但追究到深处，你总是会发现你需要前面一层的大量知识才能产生认识突破。这样抽象地说也许很难理解，看看例子：
化学元素周期表可以算是独立化学研究的殿堂了。但即使在周期表完成之日，化学家们也很难解释，为什么元素会表现出那样的化学性质，而且周期性地回归到相似的化学性质（比如氧族元素），而且这个周期又在不断变化。单纯在化学的领域折腾，哪个理论也解释不了全部的事实。
然而，一旦物理学中的原子结构研究成熟，周期表的问题就犹如庖丁解牛，迎刃而解了。化学性质决定于外层电子配置。元素表周期就是外层电子周期。相似的化学性质就是相似的外层电子配置。基于这种理解上的飞跃，一系列重要的化学问题，比如化学键的本质，化学反应能的研究，纷纷在原子物理的层面得到突破。这种化学问题在物理层面上的理解，我把它叫做“触底”。一个领域的研究一旦触底，透彻的理解和新的发现就指日可待。

再来看一个比较贴近生活的著名例子：
忧郁症，作为心理学中的课题，一直困扰着病患和心理学家。在二十世纪上半段，弗洛伊德主义盛行于西方，忧郁症完全用心理分析方法来解释，童年经历、未实现的欲望、父母责任，一系列五花八门的弗洛伊德式学说和疗法，对这个问题也无可奈何。但是当相关的生物学产生一次“触底”：发现锂制剂的神经生物作用后，心理学也同时在生物学上触底了。70年代一桩有名的诉讼案揭开了弗洛伊德主义在西方崩溃的序幕。加利福尼亚一位长期受忧郁症折磨的中年妇女，接受了五年以上的聊天式弗洛伊德疗法，花了几万美元，从未有任何缓解。后来开始服用抗抑郁新药物“百忧解”（锂制剂），四个星期后痊愈。为此她愤而起诉心理医生，最终闹成了全美新闻。现在，百分之九十以上的临床忧郁症案例都用锂制剂治疗，大多有不同程度的缓解。

二十世纪能量生物学的中心问题就是细胞能量代谢的化学本质。或者说有氧呼吸作用的化学本质和细节。直觉的方向感，引导着生物学家们从两个方向向中央逼近这个课题，来试图完成拼图。就像从两端开始拼成一座大桥。截止到五十年代，大桥好像已经逼近了接龙点。已经取得了如下的成果：
*有氧呼吸的本质和有氧燃烧并无不同，都是氧化-还原反应。氧化剂是氧气，还原剂可以简化认为是葡萄糖。
*不像自然失控的普通燃烧，有氧呼吸在细胞中是一步步精确控制的。而且涉及一系列复杂的生物催化剂。
*有氧呼吸的场所是细胞中的线粒体。线粒体内膜上镶嵌着一系列的微型催化工厂：细胞色素酶蛋白质综合体。在这些不同的催化工厂，一个个电子被从糖类上剥离，中间产物分子逐步传递，同时释放化学势能，而氧得到这些电子并结合糖中的氢原子，逐步生成水。
*所有生物细胞中通用的能量货币是三磷酸腺苷（ATP）。它是一种高能形式的分子。对应的低能形式是ADP。
*所有耗能的生命活动都在消耗ATP，把它们转变为ADP（以及失去一个磷酸基团：p），并利用转变放出的能量。因此，有氧呼吸的作用就是这些活动的反过程：制造能量，用来把低能的ADP转变为高能的ATP。
*制造ATP的场所在ATPase，另一种镶嵌在线粒体内膜上的蛋白质综合体。这些微型催化工厂消耗ADP，释放出ATP。而且，在某些情况下，这些工厂也能反向工作，即消耗ATP制造ADP。

请注意，以上的成果我用空行分成了两组。因为中间还缺乏一个步骤，细胞色素酶和ATPase是不同的蛋白质综合体，它们在线粒体内膜上的分布，物理上是互相隔绝的。而所谓化学反应，在分子层面上是100%需要物理接触的。那么，能量是如何从细胞色素酶传送到ATPase上的呢？这就是所谓接龙点。
前一组是分子生物化学，后一组也是分子生物化学，中间还缺乏一个链条。你的直觉是什么？当然还是分子生物化学。我们需要找到一种媒介分子，从细胞色素酶工厂的氧化还原反应中产生，在ATPase工厂中消耗，携带一个高能状态的化学键。暂且把它叫做媒介分子X。

我是神经病

四五十年代的能量生物学界弥漫着乐观情绪，大厦只差一步就能建成，科学家和研究小组之间展开了寻找X分子的竞赛。然而，足足找了20年，提出的候选分子不下十几种，一个个都被研究和实验否定了。在寻找的过程中，随着对整个过程细节研究越来越深入，一系列看起来很琐碎，但是莫名其妙让人不安的问题冒了出来：

*我们已经知道了ATP和ADP是能量通用货币的正负两种形式。在化学上，一个不言自明的直觉理解是高能状态不稳定，低能状态稳定，所谓“水往低处流”。如果把纯粹的ATP放在生物体外的溶液中，它们就会很自然地迅速转化成ADP，并释放热能。然而在生物细胞中，ATP和ADP的比例通常都是非常高能化的，ATP占了90%以上。这种全局的高能状态，需要持续的能量供应来维持。细胞中有氧呼吸的强度（用糖和氧的消耗速度来测量）变化很大，有时候相当衰弱。然而不管有氧呼吸的强度怎样，ATP的比例都维持在稳定的高位。这就像一块巨石悬在墙头，不管你用不用力撑着，它偏不掉下来。在化学的视野中，这是不可理喻的场景，然而又找不到是什么东西在支撑着它。
*ATP的产出和葡萄糖的消耗，这个反应方程式，在实际测量中居然配不平。学过中学化学的，都应该知道什么叫配平反应式。几分子的A和几分子的B反应，生成几分子的C。一旦配平，比例就是固定的。这是“数学”，所有科学的基础真理。然而测量表明，一分子的葡萄糖被完全氧化，生产28-38个ATP分子，之间任何数字都有可能，但大多数时候接近下限。在化学反应方程式中，什么叫28-38？配平需要的是整数！这又是不可理喻的反化学场景。测量实验反反复复地做，结果一直都是那样。
*化学反应的能量和物质是守恒的，也就是说，反应式链条确立之后，前面的反应发生，后面的反应就该受驱动同时发生。前面氧化消耗葡萄糖，后面就该驱动生成ATP。这在化学术语中叫做coupling，或者耦合。消耗葡萄糖的过程和生成ATP的过程是耦合的（先忽略前面提到的配不平问题）。然而一些特殊的化学物质，可能扰乱耦合的稳定，这叫做“解耦”（uncoupling）。有氧呼吸的解耦是普遍存在的，在有些物质参与时，氧化葡萄糖的过程完全正常进行，ATP生产完全停顿。就像皮带轮系统断掉了皮带，前面的轮子空转，后面的不理睬。在化学上，这是可以接受的。因为解耦物质总是有一种化学性质，能够扰乱连续反应链中的一个环节（比如说，如果有X媒介分子，某种解耦物质倾向于和X分子结合使其失去浓度，破坏了能量传递，当然就能解耦。）但是现在的问题在于，实验证明能解耦有氧呼吸的物质，如水杨酸（阿司匹林），白喉霉素，摇头丸，化学组成和化学性质五花八门，简直找不到一个共同点。

在寻找X分子失败的过程中，生物学家们对解耦物质寄予厚望，因为一旦发现了解耦物质的共同化学性质，多半就能推导出X分子到底是什么--因为这是大桥上唯一不为人知的部分。然而现实是，解耦物质发现得越多，就越找不到化学共同点。