关联诱导假说（AI 假说）是活细胞的统一的一般理论，是同类理论中唯一的一个。主要假设于 1962 年在一本题为“生命状态的物理理论：关联-归纳假设”的专着中提出。三年后增加了关于水的物理状态的部分（纽约科学院年鉴：第 125 卷，第 401-417 页，1965 年）。虽然下面给出了两个版本，一个短一个长，我必须强调，你必须查阅完整的书籍，特别是“活细胞生理学的革命”才能获得完整的理解。
从牛身上取走骨头、角、蹄、储存脂肪和胃-肠-膀胱内容物，剩下的主要是水和蛋白质。这种水/蛋白质的很大一部分存在于肌肉组织中，当然，肌肉组织是汉堡包的来源。尽管大约 80% 的生汉堡包是水，而且生汉堡包中的大部分肌肉细胞（如果不是全部）都被分解成碎片，但尽你所能，你将无法挤出那 80% 的水，甚至它的一小部分，就像你可以从湿海绵中挤出水一样。
这个简单的事实表明，活细胞不是装满水溶液的小香肠（如熟悉的活细胞教科书版本，参见链接页面，lp6）。如果是这样的话，当香肠被分解成小的开口碎片并施加压力时，所有的水都会被挤出。相反，这个简单的事实也表明，不仅细胞的不同成分之间，即蛋白质和水之间，而且同一成分的各个元素之间，即蛋白质和蛋白质之间，也存在着很强的凝聚力。以及水和水之间。事实上，这是对关联-归纳假设的基本原则之一的陈述：关联. 在更完整的细胞版本中，与蛋白质和其他细胞内大分子的结合扩展到更小的分子和离子，如钾离子和三磷酸腺苷或 ATP，这是细胞代谢的最终产物。
一头牛能活；它也可以死。一头死牛的肌肉会发生什么变化？显然，它最终也会消亡。但是，活细胞死亡意味着什么？要理解，首先要理解物理 状态的概念。
比较液态水和固态冰。两者都是一堆水分子的统称。它们的区别仅在于水分子集合所呈现的特定物理状态。在固态冰状态下，空间中的水与水的相互作用更加有序，并且不会因重力而发生太大变化。相比之下，液态空间中的水与水的相互作用更加灵活，并且在重力作用下流动。在关联诱导假说中，活着是指细胞物质、蛋白质、水和小分子和离子的成分以特定的空间关系和高（负）能量低熵状态相关联，称为活态. 生活状态是物理学家所说的合作社像固态冰和液态水这样的状态也代表合作状态，表明每个状态都是明确定义的和离散的，并且各个元素之间存在相邻的相互作用。纯水可以处于固态冰状态或液态水状态，但不能处于两者之间的状态。因此，协同相关的蛋白质-水-小分子组装系统也倾向于处于离散的生存状态或以全有或全无的方式转变为死亡状态，但并非完全如此（见下文）。
各种关联模式背后的力本质上是电动的。以水与水的相互作用为例。由式 H2O 表示的每个水分子都包含两个氢原子和一个氧原子，其排列方式是水分子的一端带正电，而另一端带负电。换句话说，每个水分子都可以看作是一个偶极分子。静电学的基本定律表明，一个偶极水分子的正端倾向于吸引相邻水分子的负端并与之相互作用。然而，相互作用并不止于此，因为相邻偶极子的接近也会改变每个水分子的电子分布，因此，感应偶极矩在两者中产生，通过相互电极化也称为感应。这当然是关联-归纳假设的第二个基本原则的一个例子：归纳。
只有诱导不仅存在于水分子对之间，而且存在于构成活细胞的所有相互作用的蛋白质-水-小分子/离子组装体之间。诱导也不仅仅是增强细胞不同成分之间相互作用的一种手段。它还使它们成为功能一致和离散的协作组件。并且它可以将一个组件从静止-生活-合作状态转变为活跃-生活-合作状态——通过某些称为主要吸附剂的小但具有生物活性的分子的开或关作用 。卓越的主要吸附剂是 ATP。
ATP 是我们消耗的食品原料的最终产品。曾几何时，生物化学家认为 ATP 不寻常，因为它在特殊的磷酸键中含有大量能量。结果证明这个想法是错误的。随着时间的推移，人们发现虽然ATP 不携带所谓的高能磷酸键，但 ATP 对其相互作用的蛋白质具有强大的亲和力，从而肯定了这种化合物作为主要吸附剂在维持静息生活方面的独特作用状态和在交替状态之间转换。如果停止进食，则消耗的 ATP 无法补充。没有 ATP，细胞就会死亡。这样，个人就会死亡。
AI 假设是一个过于广泛的理论，我无法在这里尝试介绍整个理论的所有主要方面。相反，我只展示了一些精选的亮点。即使在这种适度的尝试中，关于活细胞的物理化学性质和膜泵理论的一些知识也是必要的，因此我将从这两个主题开始。
活细胞是所有生命的基本单位，从微小的单细胞生物，如细菌（例如，大肠杆菌）和原生动物（例如，变形虫）到像我们这样的巨型多细胞生物。从物理化学上讲，所有活细胞都具有相似的基本属性。它们都含有大量的水，约占细胞重量的 80%——尽管它可能低至 50%，也可能高达 90%。细胞的其余部分主要由巨大的蛋白质分子组成（以及少量的核酸、DNA 和 RNA 以及糖原等碳水化合物）。细胞蛋白质的性质和数量决定了活细胞的特征——尽管蛋白质是由 DNA 和 RNA 中携带的遗传信息决定的。该细胞还包含各种小分子和离子。
大多数活细胞在水环境中度过一生。当食盐或氯化钠溶解在水中时，它会分裂成两个带电粒子或离子，带正电荷的钠离子 (Na+) 和带负电荷的氯离子 (Cl-)。在溶解过程中，这些离子会吸收一种或多或少永久的强结合水分子涂层，然后被称为，例如，水合钠离子和水合氯离子。
大多数活细胞中的钠离子浓度很低，大约是细胞外液体中钠离子浓度的十分之一。相比之下，另一种单价带正电荷的离子，钾离子，虽然在化学上与钠离子非常相似，但其自身的分布方式使细胞中的浓度比周围介质中的浓度高出约 40 倍。事实上，随着我们对细胞知识的扩展，我们发现这种钠离子和钾离子分布的不对称性几乎存在于所有活细胞中。细胞生理学家如何解释这种不寻常的钠离子分布模式？膜泵理论和关联诱导假说提供的机制截然不同。（见链接页面 lp6a，用于反驳膜泵理论。有关此链接页面的锚点，请参阅“统一验证的新替代方案”上方的主页）
在膜泵理论中，活细胞本质上代表一袋蛋白质和其他溶解物质的水溶液（参见 链接页面，lp6，了解这个基本错误想法的历史起源）。细胞内的水与沐浴细胞的正常液态水没有显着差异。细胞内的大小分子和离子与溶解在正常液态水中的类似物质也没有明显不同。溶解在这种正常液体细胞水中的细胞蛋白本身处于其天然状态——即稳定的、可重现的，当蛋白质通过某些标准技术程序纯化并溶解在水中时，在体外可重现这种状态。一种非常重要的膜，称为 细胞膜或质膜包裹着这袋水溶液。虽然这种细胞膜很薄，用最好的光学显微镜也看不到；尽管如此，在膜泵理论中，正是这种非常薄的膜决定了细胞的化学组成，这取决于刚性膜孔（或通道，参见链接页 lp16）的假定临界直径，它允许小分子和离子但禁止较大的；或者通过位于细胞膜中的假定的耗能特定泵不断向内或向外运输。
在这些假设的膜泵中最著名的例子是钠泵，尽管不断向内泄漏，但它不断地将钠离子泵出细胞，因此钠离子浓度始终保持在稳定的低水平，通常是十分之一到周围介质中的五分之一。至少膜泵理论的一些支持者还认为，这种钠泵不仅将钠离子泵出，还将钾离子泵入，从而使钾离子浓度保持在比外界高 40 倍的水平。为此，钠泵也被称为钠钾泵。
然后还有泵用于不同的糖类、许多不同的（游离）氨基酸、许多不同的带正电荷和带负电荷的离子等。（有关截至 1973 年假定的膜泵名称的部分列表，请参见表2 在 Ling 等人，纽约科学院年鉴，第 204 卷，第 6-50 页，1973 年）。我现在转向另一种理论，关联-归纳假设。
每个人都知道生汉堡包是什么样的。从其丰富的含水量来看，它类似于一块湿海绵。然而，它也与湿海绵大不相同。挤压湿海绵，水就出来了。用力挤压，更多的水流出，直到海绵几乎变干为止。相反，如果您拿一个生汉堡包，并试图从这种富含水分的材料中挤出水分，您会发现即使将肉切成小块，也几乎不可能挤出水分。事实上，我们以更严格的控制方式进行了这一调查。
因此，我们不是用手挤压切碎的肌肉，而是利用离心。如您所知，是通过离心机从洗衣机中的湿衣物中提取水。只有在肌肉实验中，我们确保每个肌肉细胞都被切成两端打开的短段——这不会再生新的膜，参见链接页面，lp6a {3}——并将它们置于1000倍重力的离心力。因此，在离心 4 分钟后，肌肉细胞之间的所有水分都被完全提取出来。然而，来自破碎细胞内部的水仍保留在细胞内部（参见 Ling 和 Walton in Science，第 191 卷，第 293-295 页，1976 年）。
因此，这个极其简单的实验又增加了另一组证据，明确表明膜泵理论中自由水的基本原则是错误的。细胞水不能是正常的液态水。如果细胞水真的是正常的液态水，它会与无可争议的正常液态水（保持在肌肉细胞之间）一起被提取出来，后者被定量挤出。剩下的只不过是干燥的蛋白质，就像一块完全挤出的海绵。但这不会发生在细胞还活着或接近活着的时候。
我们的下一个问题是找出水（约占新鲜肌肉重量的 80%——以及其他细胞）如何能如此顽强地保持在细胞内，抵抗 1000 倍重力的离心作用。由于细胞主要是水和蛋白质，人们自然会从更易流动的水分子和更固定的蛋白质之间的相互作用方面寻求解释。
现在从理论上讲，所有蛋白质都具有与大量水反应的潜力。实际上，只有一些蛋白质“永久”地与大量水相互作用。一种熟悉的保水蛋白质是*明胶，*它是果冻包装中动力材料的主要成分。如你所知，当这个小包的内容在水中加热和冷却时，你会得到五颜六色、透明、颤抖和美味的果冻。果冻几乎全是水，但在果冻中，水可以像普通的纯液态水一样“站起来”。果冻中的水的这种站立能力——冰也可以——表明果冻水中的水与水的相互作用已经被唯一存在的其他成分明胶改变了。为什么和如何？
首先，什么是明胶？明胶是“煮熟”的动物皮、蹄、角等的产物。这些动物部位的明胶的主要来源是被称为胶原蛋白的蛋白质，它是我们肌腱和皮肤的主要蛋白质成分。
明胶是一种不寻常的蛋白质，早已为人所知。因此，术语胶体就是它的名字。但正是关联诱导假说首次为明胶的独特性提供了解释（以及胶体和“生命物质”或原生质，它们与明胶凝胶的相似性也有很长的历史背景）。
蛋白质是长链分子。然而，与每个链接就像另一个链接的普通链不同，蛋白质是大约 20 种不同链接的链，称为氨基酸残基，它们是“连接”形式的氨基酸。所以在某种程度上，生命语言不是用 26 个字母的线性阵列拼写的，而是用 20 个氨基酸残基的线性阵列拼写的。蛋白质的每个氨基酸成分（氨基酸残基）为 蛋白质链提供一对带电或极性基团，带负电的羰基氧 (CO) 携带“孤对”（带负电）电子和带正电的亚氨基 (NH) H 原子。在大多数蛋白质中，每个 CO 基团都连接（或氢键，或 H 键合）到链下游第三个氨基酸的 NH 基团的 H 原子。通过这种方式，蛋白质链呈现出所谓的α 螺旋结构。
极性 NH 和 CO 基团也对水分子具有亲和力。水分子的O端可以吸附到蛋白质的NH位点上；水分子的 H 端吸附在蛋白质 CO 位点的 O 原子上。然而，在大多数处于所谓天然状态的蛋白质中，NH 和 CO 基团通过刚才提到的 H 键在分子内连接在一起。因此，它们无法与水相互作用。然而，正如 Ling 在 1978 年首次指出的那样（参见 Ling 等人，Physiol. Chem. Phys. 10: 87, 1978，另见 Ling，“活细胞生理学的革命，Krieger，1992 年，第 81 页-92)，大部分明胶链不能折叠成 α-螺旋折叠，因为构成明胶的 54% 的氨基酸残基要么不能（脯氨酸、羟脯氨酸）要么不愿意（甘氨酸）呈现螺旋结构。因此。 ，大部分明胶分子永久保持完全伸展的构象。
在这种完全扩展的构象中，极性 CO 和 NH 基团直接暴露于并自由相互作用，不仅是一层，而且是多层水分子。如此极化的水赋予明胶许多不同寻常的特性，这些特性与活细胞一样。这就是所谓的细胞水极化多层理论的本质，即由 Ling 在 1965 年首次引入并在上文中提到的。
顺便说一下，多层是指每个蛋白质链上的层数不超过几层。这足以解释AI 假设提出的极化多层动态结构中存在的所有细胞水。
从那时起，已经完全确定明胶以及类似的长链有机分子或聚合物可以保持适当间隔的极性基团的线性链，其行为类似于明胶和活细胞的原生质。所有这些模型系统和活细胞中的水都具有将大多数活细胞中发现的低浓度分子和水合离子保持在较低浓度的特性。最突出的是钠离子。
总之，根据关联诱导假设，活细胞中所有或几乎所有的水都呈现极化多层的动态结构。具有这种动态结构的水赋予活细胞许多迄今为止被分配给其他（不正确）原因的属性。这些属性之一是保持低浓度的大（水合）离子，如钠、糖和游离氨基酸。一个潜在的假设是一些细胞蛋白质存在于完全延伸的构象中，尽管与明胶不同，这些蛋白质只是有条件地这样做而不是永久。换句话说，它们只有在细胞存活时才会这样做。我们活着是什么意思，我们接下来会进入那个话题。（值得一提的是，膜泵理论尚未能够对这个简单但基本的问题给出答案。）
活细胞的主要成分是蛋白质、水和小分子和离子。在传统的膜泵理论中，所有这些成分都作为溶液的一部分存在。根据关联诱导假说，蛋白质、水和许多小分子和离子密切关联并保持在高（负）能量和低熵状态，称为活态。维持在其存活状态的细胞是存活的。
现在水和冰包含相同的水分子，表示为 H2O。这些分子以不同的物理状态存在，我们分别称之为液态和固态。请注意，这些状态中的每一个都指定了特征空间和时间坐标中单个 H2O 分子之间的关系。在冰中，水分子在空间中刚性固定，在时间上几乎没有移动。液态水中的水分子更易流动，随着时间的推移更自由地移动。
类似地，生命状态指定了在空间和时间坐标中密切相关的蛋白质、水和小分子和离子的生命物质的各个组分之间的相互作用。特别强调的是它们的相互 电子相互作用，这为它们在物理学家所谓的“合作状态”中存在提供了基础，在这种状态下，组件的各个组件之间存在近邻相互作用。为了维持合作生活状态，与某些关键小分子（如 ATP）的相互作用至关重要。当细胞被剥夺 ATP 供应时，细胞死亡，原生质进入另一种状态，即死亡状态。
在静止状态下，细胞蛋白质导致大部分细胞水存在于极化多层的动态结构中. 假设动态结构显示对大水合分子和钠等离子的溶解能力降低的水。细胞蛋白还提供带单电荷和负电荷的 β- 和 γ-羧基以优先吸附——在一个离子一个位点的基础上——钾离子（例如钠离子）。由于细胞内蛋白质上带有高浓度的 β- 和 γ-羧基，因此活细胞中的钾离子浓度通常远高于周围培养基中的钾离子浓度。当细胞处于存活状态时，钠离子无法成功与钾离子竞争这些带电基团或吸附位点，主要保留在细胞水中并以低于周围介质的水平存在。 不需要持续消耗能量来维持活细胞中高钾、低钠离子的分布。在这里，人们再次发现了 AI 假设和膜泵理论之间的另一个深刻差异，膜泵理论需要持续的能量供应才能将离子和分子保持在它们所在的位置和它们被发现的浓度——这一要求允许一组明确反驳泵理论的关键实验。
到目前为止，我们已经处理了关联归纳假设的“关联”方面。同样重要的是“感应”方面，或电极化。因此，在人工智能假说中，活细胞本质上是一台电子机器，其中电子扰动不是通过自由电子沿着电线的长程欧姆传导进行的，而是通过类似多米诺骨牌的下落传播短程相互作用来实现的。在缔合诱导假说中，正是这种基本的电子机制不仅允许这种被称为基数吸附剂的关键成分*，维持原生质 - 密切相关的蛋白质 - 离子 - 水系统 - 处于正常的静止状态。它还为主要吸附剂提供了控制活性*和 静止状态之间可逆转换的机制。卓越的主要吸附剂是最终的代谢产物 ATP。
这种无处不在且至关重要的小分子曾被错误地认为在所谓的高能磷酸键中携带额外的能量。然而，毫无疑问，ATP强烈吸附在细胞蛋白质的 某些关键位点（基数位点）上。事实上，肌肉蛋白肌球蛋白上 ATP 的吸附能甚至超过了曾经（错误地）指定为磷酸键能的能量，这种高吸附能就像手套一样在极化蛋白质 - 水 - 离子系统中发挥核心作用使集会保持在活动状态。
另请注意，“生活状态”的概念，尽管其他调查人员偶尔会使用平民，但它是人工智能假设的独特概念。处于活生生的状态指定了什么是活生生的。转换到死状态指定什么是死的。在有生命的状态下，所有主要成分都以其密切相关的高（负）能量和低熵状态存在。在死状态下，水和离子在很大程度上被释放出来，以自由水和自由离子的形式存在，熵增大。在死亡时，蛋白质进入内部中和状态。
正如已经提到的，在膜泵理论中没有什么是活的和什么不是活的对应概念。