， 我們 還 早 得很 呢 。 只不過 ， 貝契 的 捷徑 確實 是 個 才華 洋溢 的 成就 ， 將 冗長 的 步驟 一舉截短 。 生物 細胞 裡 的 分子 馬達 噬菌體 只要 寄生 在 細菌 上 ， 一下子 就 活 了 起來 ， 並 將 本身 的 DNA 注入 細菌 內 。 此 舉 需要 能量 ， 而 噬菌體 在 生命 週期 的 此刻 ， 表現 就 如 一 具 馬達 。 事實 上 ， 自然界 充斥 了 許多 微型 馬達 ， 例如 每 個 活 細胞 內 都 有 微小 的 馬達 ， 這些 馬達 正 是 生命 的 發電廠 ， 小從 細菌 ， 大 到 我們 自身 ， 差不多 所有 生物 都 是 這樣 。 細胞 利用 糖類 與 碳水化合物 產生 能量 ， 供應 生命 過程 所 需 ， 這 種 普遍性 自從 二十世紀 中期 即已 為 人 所 知 ， 屬於 生物 化學 領域 的 重大 成就 之 一 。 不過 ， 在 這 過程 中 旋轉 不停 的 馬達 ， 其 結構 像是 隱身 在 大自然 奈米 技術 「 盲區 」 內 的 重要 寶藏 。 所有 的 生命 作用 都 需要 能量 才 能 執行 ， 對 此 ， 演化 過程 已經 備妥 一 種 到處 都 適用 的 分子 ， 就是 三磷酸腺苷 （ ATP ） 。 這 三 個 字母 的 縮寫 ， 名氣 應當 如同 DNA 一般 響亮 （ 兩者 在 化學 上 也 有 關聯 ） ， 它們 兩 個 涵蓋 了 維繫 生命 的 大部分 作用 。 ATP 來自於 一 個 複雜 的 蛋白質 奈米 技術 ， 主角 稱為 ATP 合成酶 ， 這 種 酵素 可 使 ATP 的 形成 速度 提升 數十億 倍 。 目前 已 知 ， 細胞 內 分解 葡萄糖 的 化學 反應 為 循環式 反應 ， 在 這 過程 中 ， 帶 電 的 氫離子 （ 質子 ） 順著 長長 的 反應鏈 一直 傳下去 ， 猶如 奈米 世界 的 「 傳 包裹 」 遊戲 。 但 我們 以往 並 不 知道 ， 這 個 循環式 反應 最終 會 跑到 一 個 實體 構造 裡 ， 而 這 構造 居然 真的 會 轉動 ！ 這 個 轉動 不停 的 構造 就 是 ATP 合成 酶 ， 或 稱 ATP 馬達 。 我們 現在 已 可 精確 描述 其 結構 ， 看起來 機械味 十足 （ 圖 6.4 ） ， 它 是 由 一 根 旋轉軸 連著 兩 個 部分 ， 其中 一 端 嵌入 細胞膜 ， 這 部分 看起來 像 個 水車 ， 葡萄糖 分解 反應 所 產生 的 質子 就 從 這裡 傳入 馬達 ， 因此 這 一 端 是 個 質子泵 ， 質子 的 角色 便是 轉動 水車 的 水 。 軸 的 另 一 端 則 有 六 個 蛋白質 結構 ， 環繞 軸心 聚集 在一起 ， 彷彿 一 朵 造型 奇特 的 蘑菇 。 這些 部分 固著 於 細胞 內部 ， 並 不 轉動 。 在 細菌 內部 ， 這些 馬達 可以 反向 旋轉 ， 此 即 它們 迷人 的 地方 。 一般來說 ， 電動 馬達 必須 輸入 電力 才 會 旋轉 ； 至於 發電機 ， 則 須 由 外部 提供 能量 轉動 發電機 ， 然後 輸出 電力 。 而 在 細菌 內部 ， ATP 合成酶 既是 馬達 ， 也 是 發電機 。 如果 向 它 供應 葡萄糖 分解 的 產物 （ 即 質子 ） ， ATP 馬達 就 會 轉動 ， 產生 ATP ； 而 如果 向 它 供應 ATP ， 則 馬達 會 逆 時鐘 方向 旋轉 ， 產生 質子 。 ATP 系統 很 早 便 演化出來 ， 而且 在 生命 演化史 的 所有 重要 發展 中 ， 從頭到尾 都 把 ATP 系統 保存下來 。 細菌 與 人類 的 ATP 馬達 只有 些微 差異 ， 不過 其中 的 差異 很 明顯 。 細菌 的 ATP 馬達 嵌 於 外層 的 細胞壁 ， 至於 較 高 等 生物 如 人類 的 細胞 ， ATP 馬達 則 嵌 在 粒線體 的 外壁 。 雖然 無法 證實 ， 但 多數 生物學家 相信 ， 粒線體 是 原始 細菌 的 後代 ， 那些 原始 細菌 是 在 數十億 年 前 住進 一些 細胞 內 ， 使 雙方 互蒙其利 。 粒線體 甚至 有 自己 的 DNA ， 不過 粒線體 基因 並 不 參與 人類 的 生殖 過程 ， 而是 全部 直接 傳入 卵 細胞 內 ， 一代代 傳承 下去 ； 這 也 算是 「 細胞 俘虜 細菌 」 論點 的 間接 證據 。 極 有 前景 的 人造 生物 馬達 細胞 裡 的 這些 微小 馬達 對 仿生學 至 關 重要 ， 因為 製造出 這 類 物品 一直 是 奈米 技術 的 目標 之 一 。 眼見 為憑 ， 因此 當 科學家 發現 蛋白質 馬達 後 ， 便 設法 要 看見 它們 確實 在 轉動 ： 有沒有 可能 在 馬達 的 旋轉軸 上 接 一 只 螺旋槳 ， 透過 顯微鏡 觀察 它 的 轉動 情形 ？ 要 如何 實現 這 一 點 ， 也 是 仿生學 中 蛋白質 辨識 技術 的 實際 應用 與 重要 課題 。 ATP 馬達 很 堅固 ， 可以 把 它 毫髮 無損 地 拿到 細胞 外 ； 要 在 細胞 外 產生 馬達 的 效果 ， 只 需 半 個 分子 即可 ， 「 水車 」 部分 可以 捨棄 。 你 也 必須 對 蛋白質 馬達 施以 基因 改造 ， 好 讓 它們 黏 在 無機 基質 上 ， 還 必須 想 辦法 把 螺旋槳 接 在 馬達 的 旋轉軸 上 。 一 開始 ， 我們 把 馬達 改造成 可以 黏到 玻片 上 排成 一列列 的 小 鎳柱 上 ， 於是 把 含有 馬達 的 溶液 沖過 這些 小 柱 ， 蛋白質 具有 黏性 的 一 端 就 會 自動 黏上去 ， 形成 類似 「 奈米 風力 發電機 」 的 構造 ， 即 小 柱 的 頂端 裝有 奈米 風車 （ 圖 6.5 ） 。 接著 用 蛋白質 包住 螺旋槳 ， 使 它們 黏到 ATP 馬達 的 旋轉軸 上 。 在 這 個 實驗 裡 ， 所謂 的 「 風 」 是 指 ATP 溶液 ， 它 的 作用 就 是 當 燃料 ， 而且 必須 不斷 補充 ， 否則 馬達 就 會 停止 。 這 種 方法 完全 是 懷特賽茲 的 手法 ， 藉由 自組裝法 製造出 精細 的 人造 組件 ， 並 在 奈米 尺度 實際 應用 。 自然界 的 奈米馬達 直徑 八 奈米 、 全 長 十四 奈米 ， 而且 非常 有力 （ 一 湯匙 的 ATP 所 產生 的 旋轉 力量 ， 就 和 一 具 大型 朋馳 汽車 的 引擎 差不多 ） ， 可以 轉動 一千四百 奈米 長 的 螺旋槳 。 螺旋槳 一 接上 ， 就 能 觀察到 馬達 在 旋轉 ， 而且 尺寸 大 到 不必 出動 電子 顯微鏡 ， 真是 奇蹟 中 的 奇蹟 ： 透過 光學 顯微鏡 ， 就 能 看見 轉圈圈 跳 著 華爾茲 的 螺旋槳 了 。 在 二○○○年 的 第一 次 實驗 中 ， 自 組裝 過程 不盡 理想 ， 當時 加入 四百 個 螺旋槳 ， 只 觀察到 五 個 會 轉動 ， 轉速為 每 秒 ○點七 圈 到 每 秒 八 圈 。 其他 的 大概 都 誤接到 旁邊 ， 沒有 黏 到 旋轉軸 上 。 儘管 螺旋槳 的 命中率 奇 低 ， 但 這 還 是 新式 拼裝 技術 的 一 次 初步 勝利 。 但 不 只 是 這樣 而已 ， 接上 螺旋槳 的 目的 雖 是 希望 能夠 觀察 轉動 現象 ， 不過 也 等於 朝向 「 奈米馬達 」