生命是什么？
据我们所知，所有生命都是基于细胞。生命与细胞的关系是如此紧密，可以说地球生命就是由这个我们称为细胞的分子活动的小包囊界定的。一些生物由单细胞组成，另一些包括我们自己则是由大量合作的细胞组成。由生物化学、基因、蛋白质3部分组成的超级网络界定了细胞，决定了细胞如何对环境做出反应，如何随时间变化，以及如何修复自身，但没有解释细胞是如何开始的。要从分子层面理解生命还需要一个要素，就是已存在的结构。在第4章我们看到特殊设计的蛋白质是如何自组装成噬菌体。细胞通过蛋白质自组装机制生成大量结构，包括多酶复合物、核糖体和大部分细胞骨架结构，以及各种细丝和用于运动的分子马达。同噬菌体类似，如果合适的蛋白质（有时候还需要RNA）在适当的条件下在试管中混合，这些结构就能自组装。然而，有一些细胞结构无法自组装。其中包括DNA以及基于生物膜的大部分结构，例如线粒体和叶绿体。细胞骨架结构的某些方面可能也属于这一类。
所有细胞都被生物膜包裹，复杂细胞还会被生物膜分隔成多个腔室。膜的合成可以被视为是生物化学网络的一部分，在实验室条件下可以人工合成类膜结构。然而，在细胞中，新的细胞膜总是通过向已存在的膜添加新物质而产生。
生物膜主要由两种成分组成，磷脂和蛋白质。磷脂分子的一端具有亲水性，另一端具有疏水性。有很多分子具有这种特性，包括肥皂，其中大部分与水混合会形成拉伸的球，称为胶束，每个分子疏水端朝内，亲水端朝外，与结构体外面的水分子接触。磷脂有时候也会形成胶束，但大部分时候会形成名为磷脂双分子层的2维平面。图9.9a给出了磷脂双分子层的示意图。图中球和绳状的图形表示磷脂分子，球（或“头”）是亲水端，两条弯曲的线（或“尾”）表示疏水端。双层结构形成了薄薄的一层一直延伸。在磷脂双分子层中，头与水接触，尾与尾接触，从而避免了与水接触。
一般来说，磷脂双分子层无法被水和亲水分子渗透，但可以被疏水分子渗透。由于水中的疏水分子不容易接触到浸入水中的磷脂双分子层，这样双分子层就为大部分化合物的自由移动建立了一道屏障。
所有生物膜都有嵌在磷脂双分子层上的蛋白质。这些蛋白质修饰双分子层的物理特性，可以选择性通过特定的小分子和跨膜传送环境信息。图9.9 b中类似土豆的结构表示的就是膜蛋白质。实际的蛋白质结构要复杂得多，就像图4.3和图7.3中那样。
图9.9
a. 磷脂双分子层
b. 磷脂双分子层上的蛋白质
图9.9展示的双分子层结构是平面结构，边露在外面。这并不是稳定的状态，自然界中很少会出现这样的结构。在人工合成时，双层结构会卷曲，边会合拢形成球或囊泡，水被包围在中间。这种形态避免了边暴露在外面，将内部充满水的腔室与外部的水溶液隔离开来。细胞就是一个大囊泡，细胞质则是围在内部的水溶液。许多细胞的内部还有大量更小的囊泡。膜决定了什么可以进来什么可以出去。所有细胞核囊泡都维持着一个与外界不同的内部化学环境。调控是通过膜蛋白质以及它们与膜内部的三元超级网络的互动实现的。
膜蛋白质的活动由它们的结构、与其他蛋白质的互动以及代谢网络成分分子的浓度决定。由于超级网络的各部分都是来自网络各部分之间的互动，从某种意义上可以说超级网络是自决的；但要做到这一点就必须将其装入由其自身构造和调控的生物膜。这个膜使得分子无法游走，因而可以创造出独特的内部化学环境。通过合成磷脂和适当的蛋白质，并将其插入已存在的膜，细胞就能生成新的膜，但如果没有预先存在的膜，细胞似乎并没有能力产生出膜。
这个只能在已存在的结构上生成的特性，DNA表现得更明显。DNA分子总是通过复制已存在的DNA分子进行合成。图9.10描述了这个过程。细胞中的DNA是双重结构，由两条很长的分子通过氢键微弱的化学吸引力结合到一起。两条长绳相互交缠形成双螺旋结构。双螺旋上的两条长绳不是独立结构，如果一条上是碱基A（腺嘌呤），另一条上则对应为T（胸腺嘧啶）。这是因为A和T能准确匹配，在中间形成氢键。同样，如果一条上是G（鸟嘌呤），另一条上则是C（胞嘧啶），G和C也能准确匹配到一起形成氢键。正是A和T以及G和C之间的氢键将两条长绳结合到一起形成双螺旋。如果它们不匹配，就无法结合。
图9.10 DNA的复制。左边是原来的（父代）长绳，具有双螺旋结构。右边是正在形成的“子代”长绳。复制过程从右往左进行。结束后，两条子代长绳将具有与父代同样的化学结构
两条核苷酸序列的精确互补意味着两条长绳上携带的是同样的信息；如果知道一条，就能重构出另一条。互补性为精确复制DNA分子提供了途径。图9.10展示了一小段DNA双螺旋。在复制过程中两条长绳会解开，露出核苷酸碱基。DNA聚合酶会生成新的长绳与已有的长绳互补。当过程结束，就会形成两条DNA双螺旋，每一条都与父代一样。
不通过这个模板机制，细胞就无法生成新的DNA分子。生成无模板的DNA序列对于细胞将是灾难。随机生成的DNA序列只会产生垃圾信息，理由很简单，通过随机方式生成的东西有用的概率微乎其微。
细胞中还有其他结构也只能通过生长或复制已存在的结构形成，但膜和DNA已足以阐明这一点。在中学生物课上我们学过细胞通过分裂繁殖。大细胞分成两个较小的细胞，然后继续生长，直到可以再次分裂。细胞分裂的基本特点是重要结构的复制体或片段会分到两个子代细胞中。如果不是这样，细胞就无法再生。细胞作为一个整体不会像噬菌体那样通过重新组装产生。因此生物学家只能想象出一个无穷无尽的细胞分裂链条。所有证据表明这个链条会从现在的每一个活细胞回溯到一个共同的始祖细胞，也许更准确地说是唯一的始祖细胞群。
地理和化石证据表明这个始祖细胞群生活在至少35亿年前。原则上现在所有的生命不必都是源自同一群细胞，但所有已知细胞都具有许多共同的特性，这意味着存在一群拥有这些共同特性的始祖细胞群体。除此以外任何解释都很难自圆其说。仅列举少数所有现代细胞都共有的特性：基因由DNA组成，相同的遗传码，信使RNA，核糖体，基于磷脂的膜，大量生物化学网络特征，以及许多蛋白质具有类似的结构和功能。这个共同的始祖已经非常复杂，因此其本身也不可能是地球上的第一个生命。
细心的读者可能注意到除了信使RNA和tRNA之外，我们没有提到RNA在细胞中的各种其他角色，也没有提到另一种作为生命标志的大分子多糖。RNA和多糖对于细胞都很重要，但基于不同的原因它们没有被包括在我们的简要说明中。多糖是生物化学网络不可或缺的一部分，而RNA分子则与蛋白质互动或发挥类似蛋白质的功能，除了信使RNA，它们的功能大致可以被包括在蛋白质相互作用网络中。一些人可能会不同意这个论断，但将纯RNA子网加入前面讨论的超级网络中并不会明显改变我们总体上将细胞视为复杂网络的观点。
那么细胞是什么呢？根据这里给出的观点，它是由三部分组成的网络，由生物化学、蛋白质和基因调控这三个子网深深地交织在一起组成。这个超级网络位于一个有结构的和化学的环境中，可以维持和繁殖。这个超级网络具有惊人的特性，它能够自我指令和自我维持。指令编码在DNA的核苷酸序列中，涉及这个存续结构的方方面面，但是没有说明它是如何开始的。地球上存在大量这样的网络（超过1020）；并且每个生命（即网络）原则上都能回溯到至少存在于30亿年前的一群网络（即细胞）。
超级网络的节点和边包括DNA序列、蛋白质、蛋白质与其他成分的相互作用、化合物以及化学反应。DNA序列的合成和表达受蛋白质控制，还有各种化学反应也受蛋白质控制。甚至作为生物化学网络节点的各种化学物质出现在细胞中也是因为蛋白质酶和跨膜传输蛋白质。蛋白质由DNA序列决定，DNA序列反过来又被蛋白质控制、修复和复制。这个网络极具可塑性，我们身体里细胞类型的多样性，以及自然界中生物和生物行为的多样性，都证明了这一点。所有这些都源自复杂网络与环境的互动。
刻画生命的网络的一个基本特性是，许多甚至绝大多数节点和边单独来说对于网络的存在都不重要。当一个新的基因在细胞中表达，就会增加了新的节点和边；当基因关闭，一些节点和边就会消失，但网络作为一个整体会保持稳定；只有细胞死亡它才会崩溃。据我们所知，从所有现代细胞的最初的共同始祖开始，这三个子网络就已经契合在一起。在具有多种细胞类型的多细胞生物的细胞中，不同细胞的网络特性会有显著区别，生物的DNA中的基因只有1/3到一半会在一个特定的细胞中表达。从某种意义上说，身体中的细胞通过合作组成了一个网络，每个细胞都是这个更大的网络的一个子网。每个细胞网络和身体层面的网络可以回溯到单个细胞，受精卵，以及之前未受精的卵子和精子，再往前是其他身体里的细胞，不断往前追溯直到最早的始祖细胞。这个连续的历史因果链条是地球上的生命的一个基本面貌。