哲学家和诗人都曾经认真地描写生命的火焰。十六世纪的炼金术士帕拉塞尔苏斯（Paracelsus）甚至明确宣称：“人的死亡就像火焰失去了空气。”虽然隐喻被认为可以阐明真理，但我怀疑哲学家们会对“现代化学之父”拉瓦锡示以轻蔑：拉瓦锡（Lavoisier）认为生命的火焰不仅仅是一个隐喻，而是和真正的火焰一样。拉瓦锡以一种非诗意的科学语言说道，燃烧和呼吸本就是同一个过程。在1790年寄给法国皇家学院的一篇论文中，拉瓦锡尔写道：
呼吸是碳和氢的缓慢燃烧，和灯或点燃的蜡烛中所发生的很类似，在这一意义上，呼吸着的动物就是燃烧并消耗着的活的可燃物体……是动物中最基本的成分——血液，运输着燃料。如果动物不通过日常性的给自己提供营养来补充它们在呼吸中的损失，那么灯很快就会耗尽油料，动物将会死亡，就像灯在没有燃料时会熄灭那样。
碳和氢都是从食物中存在的有机燃料中获取的，例如葡萄糖，所以拉瓦锡在说呼吸的燃料是由食物补充的时是对的。可惜的是，他没再能向前一步。四年后，拉瓦锡在法国大革命中在断头台丢掉了脑袋。在伯纳德·贾菲（Bernard Jaffe）的著作「坩埚」中，他认为这一事件需要“后代的评判”：“直到人们意识到法国大革命最严重的罪行不是国王而是拉瓦锡的处死前，价值都不能被正确评估；因为拉瓦锡是法国所诞生的最伟大的三四个人之一。“大革命一个世纪之后，在19世纪90年代，一尊拉瓦锡的公共雕像揭开了面纱。但是后来却发现，雕塑家使用的不是拉瓦锡的脸，而是拉瓦锡人生最后几年中学院的秘书长孔多塞（Condorcet）的脸。法国人务实地决定“无论如何，戴假发的所有男人看起来都很像”，然后将雕像一直保留到第二次世界大战期间才将它融化。
虽然拉瓦锡彻底改变了我们对呼吸的化学本质的理解，但他不知道它在哪里进行的—— 他相信它肯定是在血液通过肺部时进行的。 事实上，在十九世纪的大部分时间里，呼吸进行的位置都仍然存在争议，直到1870年，德国生理学家爱德华.菲戈（Eduard Pflüger）才最终说服生物学家，呼吸是发生在身体的每个细胞里的，它是活细胞的基本属性。 即便如此，也没有人确切知道呼吸到底在细胞的何处进行；它通常被认为在细胞核里。 1912年，B.F金斯布里（B. F. Kingsbury）认为，呼吸实际上发生在线粒体里，但这一点直到尤金·肯尼迪（Eugene Kennedy）和阿尔伯特.列宁（Albert Lehninger）在1949年首次证明呼吸酶位于线粒体中时才被普遍接受。
呼吸中葡萄糖的燃烧是一种电化学反应——或者更确切的说，氧化反应。根据现代的定义，如果一种物质失去电子，它就会被氧化。氧气（）是一种强氧化剂，因为它对电子具有强烈的化学“饥渴”，并且往往会从葡萄糖或铁等物质中获取它们。相反，如果物质获得电子，物质就会被还原。因为氧气从葡萄糖或铁中获取电子，所以它就被还原为水（
）。注意，在形成水时，氧分子的每个原子也得到两个质子（H）以平衡电荷。总的来说，葡萄糖的氧化等同于将两个电子和两个质子——也就是两个完整的氢原子——从葡萄糖转移到氧。
氧化和还原反应总是成对出现的，因为电子不能稳定单独存在——它们必须从另一种化合物中获得。将电子从一个分子转移到另一个分子的任何反应都称为氧化还原反应，因为一个分子被氧化而同时另一个被还原。基本上生命中所有能生成能量的反应都是氧化还原反应。氧气并不总是必需的。许多化学反应因为电子被转移而被归为氧化还原反应，但它们并不都涉及氧气。 甚至电池中的电流也可以被认为是氧化还原反应，因为电子从正极（其逐渐被氧化）流到负极（其逐渐被还原）。
当说到呼吸是燃烧或氧化反应时，拉瓦锡在化学上来讲是正确的。然而，他不仅在呼吸位置上犯了错误，他还在其作用上犯了错误：他认为呼吸是用来生成热量的，他认为热量是一种坚不可摧的流体。但显然我们的用途跟蜡烛不一样。当我们燃烧燃料时，我们不会简单地将能量作为热量辐射出去，我们用它来奔跑，思考，锻炼肌肉，做饭，做爱，或者也可以做蜡烛。所有这些任务都可以定义为“做功”，它们需要输入能量——而不会自发的发生。要对呼吸的这一方面有所理解，需要等人们能更好地了解能量的本质才行，而这只能等19世纪中期热力学科学诞生之后了。最具启发性的发现是由英国科学家焦耳（James Prescott Joule）和开尔文伯爵（William Thompson（Lord Kelvin））在1843年发现的，热量和机械功是可以互换的——这是蒸汽机的原理。这形成了一种更加普适化的解释，即之后被称为热力学第一定律的：能量可以从一种形式转换为另一种形式，但从不能被创造或消灭。1847年，德国医生兼物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz）将这些思想应用于生物学，他证明呼吸中食物分子释放的能量有部分用于在肌肉中生成力。在一个仍然陷于“活力论”——一种认为生命是由特殊的力量或精神所激发，而不能仅通过化学反应来实现的理论——的时代，将热力学解释应用在肌肉收缩上，是一种非常卓越的机械论的洞察力。
对能量的新的理解最终促使人们认识到分子键隐含一种“潜在”的能量，当它们作出反应时会被释放出来。这些能量中的一部分可以被生物获取或以不同的形式保存，然后被引导去做功，例如肌肉的收缩。出于这个原因，我们不能说生物中的“能量生成”，虽然这是我也偶尔会错误的使用的一个方便的短语。当我说能量生成时，我的意思是将潜在能量（隐藏在像葡萄糖等燃料的分子键中）转化为生物体用来为各种形式的做功提供动力的生物能源“通货”中；换句话说，我的意思是生成更多的做功通货。现在，我们的故事转向了这些能量通货。
细胞中的色彩
到19世纪末，科学家们已经知道呼吸是在细胞中进行的，是生命各个方面的能量来源。 但它是如何实际运作的——葡萄糖氧化释放的能量如何与生命的能量需求相结合的——就得靠猜了。
显然，葡萄糖在氧气存在下不会自燃。化学家认为，氧气具有热力学反应性，但动力学稳定：它不会快速反应。这是因为氧气必须先“激活”然后才能反应。这种激活需要输入能量（如火柴）或催化剂，催化剂是降低反应进行所需的活化能的物质。对于维多利亚时代的科学家来说，任何参与呼吸的催化剂似乎都含有铁，因为铁对氧具有高亲和力——例如生锈——但也可以可逆地结合氧。一种已知含有铁，并可以可逆地与氧结合的化合物是血红素，这种色素赋予红细胞以色彩；也正是血液的颜色，为呼吸是如何在活细胞中进行的，提供了第一条线索。
诸如血红素之类的色素是有颜色的，因为它们吸收特定颜色的光（光带，如彩虹中的光）并反射其他颜色的光。被化合物吸收的光的谱系被称为其吸收光谱。当结合氧时，血红素吸收光谱中的蓝绿光和黄光，但反射红光，这就是为什么我们看到的动脉血为鲜艳的红色。静脉血中，当氧从血红素中脱离时，吸收光谱也发生了变化。脱氧血红素吸收光谱中的绿光，并反射回红光和蓝光。这使静脉血呈紫色。
鉴于呼吸发生在细胞内，研究人员开始在动物组织而不是血液中寻找类似的色素。首次成功来自一位名叫查尔斯.麦克芒恩（Charles MacMunn）的爱尔兰实习医生，他在他的马厩上的干草阁楼里的一个小实验室里工作，在业余时间进行研究。他会通过墙上的一个小缺口看着病人走进来，如果他不想被打扰，他会通知他的管家。1884年，麦克芒恩在组织里发现了一种色素，其吸收光谱的变化方式与血红素相似。他声称这种色素肯定是备受追捧的“呼吸色素”，但可惜的是麦克芒恩无法解释其复杂的吸收光谱，甚至无法证明光谱完全归因于它。他的研究结果就这样无声的被人们遗忘了，直到剑桥的波兰生物学家大卫.凯林（David Keilin）于1925年重新发现了该色素。据说凯林是一位才华横溢的研究员，鼓舞人心演讲家，很善良，他将此发现的首要功劳归在麦克芒恩身上。事实上，尽管如此，凯林比麦克芒恩的观察结果走的更远，他发现光谱不是源于一种色素，而是三种。这使他能够对困扰麦克芒恩的复杂吸收光谱做出解释。凯林将这种色素命名为细胞色素（Cytochromes，细胞的色素），并根据条带在吸收光谱上的位置分别加上a，b和c后缀以示区分。这些后缀今天仍在使用。
然而，奇怪的是，凯林的细胞色素不与氧气直接发生反应。显然有些东西被忽视掉了。这一被忽视掉的环节是由德国化学家奥托华宝（Otto Warburg）（在柏林）阐述的，他因此项工作获得了1931年的诺贝尔奖。我用“阐述”这个词，是因为华宝的观察是间接的，并且非常巧妙。和血红素不同，呼吸色素而在细胞内肯定是以极少量存在的，不能被当时粗略和现成的技术直接分离研究。相反，华宝利用了一种奇怪的化学特性——一氧化碳在黑暗中将与铁化合物结合，并在有光时与它们分离——以计算出他称之为“呼吸酵素”（注1）的吸收光谱。这一光谱结果是属于一种铁氯化合物（haemin component）的，与血红素和叶绿素（在光合作用中吸收阳光的植物中的绿色色素）类似。
有趣的是，呼吸酵素对光谱中的蓝色部分强烈吸收，却反射回绿色，黄色和红色光。 这呈现一种棕色色调，而不是血红素那样的红色，也不像叶绿素的绿色。然而，华宝发现简单的化学变化就可以使该酵素变成红色或绿色，其光谱与血红素或叶绿素非常相似。这使他在诺贝尔奖演讲中表达了一个假说，即“血液色素和绿叶色素都来自这种酵素……显然，这种酵素比血红素和叶绿素诞生的更早。”他的话暗示呼吸作用是在光合作用之前进化出来的，这是一个有远见的结论，正如我们将要看到的那样。
注1：呼吸作用可以在黑暗中将细胞暴露于一氧化碳来使之停止，并通过重新照射细胞再次开始，这导致与一氧化碳的分离。华宝认为呼吸速度取决于一氧化碳（CO）在照射后分离的速度。如果他以容易被该酵素吸收的波长照射，CO会迅速分离，他就会测量快速的呼吸速率。另一方面，如果该酵素不吸收特定波长的光，则CO不会分离，并且呼吸将保持关闭。通过使用31种不同波长的光（由火焰和蒸汽灯产生）照射该酵素，并测量每种情况下的呼吸速率，Warburg拼合出了该酵素的吸收光谱。
电子传递链（呼吸链）
尽管取得了这些重大进展，但华宝仍然无法领会呼吸作用到底是如何进行的。在他获得诺贝尔奖时，他似乎倾向于认为呼吸是一步到位的过程（释放束缚在葡萄糖中的所有能量），并且无法解释大卫.凯林的细胞色素在整个过程中如何起作用。与此同时，凯林正在提出呼吸链的概念。他想象氢原子或者至少是它们的组成成分，即质子和电子，会从葡萄糖中剥离出来的，然后从一个个细胞色素的链条中传递下来，就像消防员传递水桶一样，直到它们和氧气反应生成水。这一系列小步骤的优势在哪里？任何见过20世纪30年代兴登堡灾难事件——有史以来建造的最大齐柏林飞艇——结局照片的人，都会承认氢气与氧气反应会释放巨量的能量。凯林表示，通过将这一反应分解为多个中间步骤，每一步都可以释放出少量且可控制的能量。这种能量可以在以后（以某种方式仍未知的方式）用于诸如肌肉收缩的工作。
凯林和华宝在20世纪20年代和30年代一直保持着通信，他俩在很多方面都意见相左。讽刺的是，反而是华宝给了凯林的呼吸链的概念更多信证，他在20世纪30年代发现了呼吸链中一个额外的非蛋白质成分，现在被称为辅酶。由于他的新发现，华宝在1944年获得了第二个诺贝尔奖，但是，作为犹太人，他被希特勒禁止领奖（尽管受到华宝的国际声望的影响，希特勒并没有关他监禁，或者对他做更糟糕的事）。可惜的是，凯林对呼吸链结构和功能的深刻见解从未使其获得诺贝尔奖，这毫无疑问是诺贝尔委员会的疏忽。
于是可以合并成如下的整体图景。葡萄糖被分解成较小的片段，这些片段被送进一个逐步剥离循环往复的前后相连的反应，即三羧酸循环（Krebs Cycle，注2）。这些反应将碳原子和氧原子剥离出来，并将它们作为二氧化碳废物排出。氢原子与Warburg的辅酶结合并进入呼吸链。在那里，氢原子被分裂成电子和质子，它俩接下来的路径不同。我们稍后会研究质子会如何进行；现在，我们将专注于电子。它们通过一串电子载体沿着整条链进行传递。每个载体依次被还原（获得电子），然后被链中的下一个环节氧化（失去电子）。这意味着呼吸链形成了一串儿氧化还原反应，因此就像一根细小的电线。电子以每5至20毫秒约1电子的速率从一个载体向下传输到另一个载体。每个氧化还原反应都释放能量——也就是说，每个都释放出可用于做功的能量。在最后一步中，电子从细胞色素c传递到氧气，在那里它们与质子重新结合形成水。最后的反应发生在华宝的呼吸酵素中，其由凯林重新命名为细胞色素氧化酶，因为它使用氧气来氧化细胞色素c。凯林的这一命名今天仍在使用。
今天我们知道呼吸链是由四个巨大的分子复合物组成的，它们都镶嵌在线粒体的内膜上（图5）。 每个复合物都是碳原子的数百万倍大，但即便如此，它们在电子显微镜下也几乎看不到。 单个复合物是由许多蛋白质，辅酶和细胞色素组成的，包括凯林和华宝发现的那些。 奇怪的是，线粒体基因编码其中一些蛋白质，而核基因编码其中另外一些蛋白质，因此复合物是由两个独立的基因组编码的混合。在单个线粒体的内膜中就嵌入了数万个完整的呼吸链。这些链看上去在空间上是彼此分离的，但实际上甚至单个链内的复合物似乎在空间上也是彼此独立的。
注2：汉斯·克雷布斯（Hans Krebs）爵士因阐明这一循环而在1953年获得了诺贝尔奖，尽管许多其他人也对其的详细理解做出了贡献。 1937年克雷布斯关于该循环的开创性论文遭到了《自然》杂志的拒稿，这是他个人的一个挫折，却是对几代失意生物化学家的鼓励。除了其在呼吸中的核心作用外，三羧酸循环也是细胞制造氨基酸，脂肪，血红素和其他重要分子的起点。 很可惜这本书无法详细讨论它。
图5：简化的呼吸链：复合物I，III和IV，以及ATP酶。复合物II未在此处显示，因为电子（ATP：能量通货
虽然凯林的早期的呼吸链概念在其基本要素上是正确的，但也许最重要的问题仍然没有答案——能量是如何保存的，而不是当场就用掉？能量是通过电子沿呼吸链向氧气传递而释放的，但却是在细胞的其他地方消耗掉的，通常是稍后在线粒体外部消耗掉的。一定得有某种媒介，可能是某种分子，可以保存呼吸中释放的能量，然后将其转移到细胞的其他区域，并将其用于某种做功中。无论这种媒介是什么，它都必须具有足够的适应性，可用于细胞进行的各种不同类型的工作，并且必须足够稳定以保持完整直至被需要（因为甚至在细胞内短距离移动也需要一些时间）。换句话说，它必须是一种可以用作通用货币的分子，或者是可以兑换所提供服务的硬币。这样的话，呼吸链就是是造币厂，可以产生新货币。那么这种货币可能会是是什么？
最初的求索闪光来自对发酵的研究。发酵在葡萄酒和啤酒酿造过程中的重要性掩盖了人们对这一过程知之甚少的事实。对其的化学理解的开端又是来自拉瓦锡，他测量了所有产物的重量，并宣称发酵只不过是糖生成酒精和二氧化碳的化学分裂。当然，他是对的，但从某种意义上说，他错过了重点所在，因为拉瓦锡认为发酵只是一个没有内在功能的化学过程。对于拉瓦锡来说，酵母只是恰好催化了糖的化学分解的沉积物。
到了十九世纪，发酵的学徒分成了两个阵营 - 那些认为发酵是一个有功能的生命过程的（大多数是活力论者，他们相信存在一种特殊的生命力，而不仅仅是'化学'），以及那些认为发酵纯粹是一种化学过程的（主要是化学家）。长达一个世纪的争斗似乎由活力论者路易斯.巴斯德（Louis Pasteur）解决了，他证明酵母是由活细胞组成的，并且发酵是在没有氧气的情况下由这些细胞进行的。事实上，巴斯德将发酵描述为“无氧的生命”。作为一个活力论者，巴斯德确信发酵必须有一个目的，也就是说，有一个在某种程度上对酵母有益的功能，但即使他自己也承认他对这个目的可能是什么“毫无头绪”。
巴斯德于1895年去世后仅仅两年，爱德华·毕希纳（Eduard Buchner）就推翻了活的酵母是发酵所必需的信念，他因其工作而获得1907年的诺贝尔奖。毕希纳用的是德国啤酒酵母而不是巴斯德的法国葡萄酒酵母。显然，德国酵母更加耐操，因为与巴斯德不同，布赫纳确实成功地用砂浆在研钵中研磨使其形成糊状物，然后用液压机从糊状物中挤出汁液。如果将糖加入到这种'压榨酵母汁'中，并将混合物进行培养，则在几分钟内发酵就会开始。该混合物以与活酵母相同的比例消耗酒精和二氧化碳，尽管体积较小。毕希纳提出发酵是通过生物催化剂进行的，他将其命名为酶（来自希腊语 en zyme，意为在酵母中in yeast）。他总结说，活细胞是化学工厂，其中酶制造各种产品。 毕希纳第一次证明，只要条件适合，这些化学工厂即使在细胞自身消亡后也可以重建。这一发现预示着活力论的终结，以及一种新的感觉，即所有生命过程最终都可以通过类似的还原论原则来解释 - 这是二十世纪生物分子科学的主导主题。但是毕希纳的遗产也包括：将活细胞降低到只比一个装满酶的袋子多一点的地位，而这一点，直到今天也依然遮蔽着我们对膜在生物学中重要性的认识，正如我们将要看到的那样。
使用毕希纳的酵母汁，英国的亚瑟·哈登（Arthur Harden）爵士和德国的汉斯·冯·欧拉（Hans von Euler）（以及其他人）在二十世纪的头几十年里逐渐将发酵的一系列步骤拼凑在一起。他们解开了大约12个步骤，每个步骤都由自己的酶催化。这些步骤像工厂生产线一样连接在一起，其中一个反应的产物是下一个反应的起点。哈登和冯·欧拉因其工作而分享了1929年的诺贝尔奖。但最大的惊喜发生在1924年，当另一位诺贝尔奖获得者奥托梅耶霍夫（Otto Meyerhof）发现几乎完全相同的流程也肌肉细胞中发生着。不可否认，在肌肉中，最终的产品是乳酸，它产生痉挛而不是令人愉快的酒精的沉醉感，但梅耶霍夫发现，几乎所有12个工厂的生产线步骤都是相同的。这是生命基础统一的一个惊人的证明，暗示即使是简单的酵母也与人类的血统有关，正如达尔文所提出的那样。
到20世纪20年代末，细胞利用发酵产生能量变得越来越明显。 发酵作为备用能源（实际上是某些细胞中唯一的能源），通常在主能量发生器——有氧呼吸失效时——启动。因此，发酵和呼吸被视为平行过程，两者都用于为细胞提供能量，一个在没有氧气的情况下，另一个在氧气存在的情况下。但更大的问题仍然存在：各个步骤如何相互结合，在能量守恒的前提下，在不同的时间，用于细胞的其他部分？发酵，是否像呼吸一样，会产生某种能量货币？
答案出现在1929年，海尔伯格的卡尔洛曼（Karl Lohman）发现了ATP。洛曼发现发酵与ATP（三磷酸腺苷）的合成有关，ATP可以在数小时内存储在细胞中以供使用。ATP由结合三个磷酸基团的腺苷组成，这三个磷酸基团首尾相连成链，是一种有些不稳定的排列形式。从ATP中分离出末端磷酸基团释放出大量可用于驱动做功的能量 - 实际上，这满足了为许多生物过程提供能量的需求。在20世纪30年代，俄罗斯生物化学家弗拉基米尔·恩格尔哈特（Vladimir Engelhardt）发现ATP对于肌肉收缩是必要的 - 当被剥夺了ATP时，肌肉紧张到处于僵直状态，就像在死亡时僵硬的尸体一样。 肌纤维分裂ATP以释放它们收缩和再次松弛所需的能量，留下腺苷二磷酸（ADP）和磷酸盐（P）：
因为细胞的ATP供应有限，所以必须从ADP和磷酸基团中不断地再生新的供应 - 当然，这样做需要输入能量，就如将上面的等式反过来看的那样。这是发酵的功能：提供再生ATP所需的能量。 发酵一分子葡萄糖可再生两分子ATP。
恩格尔哈特立即着手解决下一个问题。 ATP是肌肉收缩所必需的，但仅在氧气水平较低时才通过发酵产生。如果肌肉在氧气存在下收缩，那么其他一些过程必须产生所需的ATP；恩格尔哈特说，这一定是氧气呼吸的功能。换句话说，氧气呼吸也可用于生成ATP。恩格尔哈特试图证明他的主张。当时研究人员面临的困难是技术性的：肌肉不容易研磨用于呼吸研究 - 它们会被破坏并渗漏。恩格尔哈特采用了一种不寻常的实验模型，可以更容易地操作 - 鸟类的红细胞。利用它们，他证明呼吸确实产生了ATP，并且获得的数量远远超过发酵。不久之后，西班牙人维罗奥乔亚（Severo Ochoa）证明，单单一个葡萄糖分子通过呼吸作用就可以产生多达38分子的ATP，这一发现在也使他获得了1959年的诺贝尔奖。这意味着有氧呼吸可以利用每分子葡萄糖生产比发酵多19倍的ATP。总产出令人惊讶。在普通人中，ATP以每秒9✖️10^20个分子的速率产生，这相当于每天约65kg的周转速度（其产生和消耗的速率）。
一开始，很少有人接受ATP的普遍重要性，但20世纪30年代弗里茨.利普曼（Fritz Lipmann）和赫尔曼.卡尔卡（Herman Kalckar）在哥本哈根的工作证实了这一点，到1941年（在美国），他们宣称ATP是生命中的“普遍能量货币”。 在20世纪40年代，这一定是一个大胆的主张，这种主张很容易适得其反，并使倡导者的职业生涯付出代价。 然而令人惊讶的是，即使生命是华丽和多样性的，这基本上也是正确的。在所有研究过的每种细胞中都已经发现了ATP，无论是植物，动物，真菌还是细菌。在20世纪40年代，ATP被认为是发酵和呼吸的产物，然后在20世纪50年代，光合作用也被列入其中 - 它也产生ATP，这次是通过捕获阳光的能量。因此，呼吸，发酵和光合作用这三条生命中的能量高速公路都产生ATP，这是生命基本统一的另一个深刻的例子。
令人困惑的波浪号
人们通常认为ATP具有“高能”键，用“波浪号”（〜）表示，而不是简单的连字符。当断裂时，这种键应该释放出大量的能量，可以用来为细胞的各种形式的工作提供能量。不幸的是，这种简单的表示实际上并不正确，因为ATP中的化学键没有什么特别不寻常的。不寻常的是ATP和ADP之间的平衡。相对于ADP，细胞中的ATP要比本应该的多得多得多，如果第79页的反应达到其自然平衡的话。如果ATP和ADP在试管中混合在一起并放置几天，那么实际上整个混合物将分解成ADP和磷酸基团。我们在细胞中看到的却是绝对相反的：ADP和磷酸基团几乎完全转化为ATP。这有点像往山上抽水 - 它需要大量的能量才能将水抽上去，但是一旦你在山顶上有一个水库，就会有很多潜在的能量可以在以后需要时，将水冲下时获得。一些水电方案以这种方式工作。当需求低时，水在夜间被泵送到高水库。当需求激增时，它会被释放。在英格兰，很显然，在流行的肥皂剧之后电力需求会大幅增加，因为那时会有有数百万人同时去厨房，坐上水壶，以用来冲一杯好茶。这种需求的激增可以通过打开威尔士山区水库的闸门来满足，这些水库在需求稳定后的晚上重新填充，为下一次大规模的茶饮时光做好准备。
在细胞中，ADP不断地泵送“到山上”以产生ATP形式的潜在能量储存。 ATP的这个储存等待闸门的打开，从而用于驱动有关细胞的各种任务，就像下山的水流被用来为电气设备供电一样。 当然，生产如此高浓度的ATP需要大量的能量，就像需要大量的能量来将水泵送到山上一样。提供这种能量是呼吸和发酵的功能。从这些过程释放的能量用于在细胞中产生与正常的化学平衡相比高的多的水平的ATP。
这些想法有助于我们了解ATP如何用于驱动细胞中的工作，但它们并未解释ATP实际形成的方式。答案似乎在于埃弗瑞.瑞克（Efraim Racker）在20世纪40年代的发酵研究。 瑞克是生物能量学的巨头之一。出生于波兰，在维也纳长大，他在20世纪30年代末逃离纳粹来到英国，就像他的许多同时代人一样。战争爆发后，在马恩岛实习后他搬到了美国，并在纽约定居了几年。阐释发酵过程中ATP的合成机制是他五十多年来的许多重要贡献中的第一个。瑞克发现，在发酵过程中，通过将糖分解成较小的碎片而释放的能量用于将磷酸基团连接到碎片上，这是对化学平衡的对抗。换句话说，发酵产生高能磷酸基团中间体，这些中间体然后转移它们的磷酸基团以形成ATP。整体变化在能量上是有利的，就像流下山的水可以用来转动水车一样 - 水流与水车的转动相耦合。ATP的形成同样通过偶联的化学反应发生，因此通过发酵释放的能量驱动耦合的能量消耗反应，即ATP的形成。瑞克和整个领域都这样推测，类似的化学偶联模型也可以解释ATP在呼吸过程中是如何形成的。可恰恰相反！这并没有提供一种前景，却开启了一场持续数十年的无功追寻。另一方面，这一问题对最终的解决方案比分子生物学中的任何其他事物对生命本质和复杂性都有更深刻的见解，如果不算DNA双螺旋结构的话。
问题取决于高能中间体的身份。在呼吸过程中，ATP由被称为ATP酶（或ATP合成酶）的巨型酶复合物产生，这也是由瑞克和他在纽约的同事们发现的。多达3万个ATP酶复合物钉在线粒体内膜上，可以在电子显微镜下微弱地显示出来，像膜上发芽出蘑菇一样（图6）。在1964年第一次看到它们时，瑞克将它们描述为“生物学的基本粒子”，这个外号在今天似乎更加适用，正如我们将要看到的那样。 ATP酶复合物与呼吸链的复合物共享线粒体内膜，但它们与它们之间没有物理连接：它们分别嵌入膜中。这就是问题的根源。这些独立的复合体如何越过物理间隔相互交流？更具体地说，呼吸链如何将电子流释放的能量转移到ATP酶，产生ATP？
由Efraim Racker 命名的“生命的基本粒子”。ATPase蛋白就像膜载体的茎上发芽出来的蘑菇一样。
在呼吸中，唯一已知的反应是当电子沿呼吸链传递时发生的氧化还原反应。已知这些复合物会被依次氧化然后还原，但就是这样：它们似乎与其他分子没有相互作用。 所有反应都与ATP酶物理分离。 研究人员推测，必须有一种高能中间体，就像在发酵中一样，它是利用呼吸释放的能量形成的。 然后该中间体将物理移动到ATP酶。 毕竟，化学反应需要接触；远距离反应对于化学家来说就是邪教。 假想中的高能中间体需要含有与发酵中形成的糖 - 磷酸基团相当的键，当其被破坏时，将传递形成ATP的高能键所需的能量。ATP酶应该催化了这种反应。
正如在科学中经常发生的那样，在革命的门槛上，大的轮廓似乎完全被理解了。所有仍有待完成的工作只是填补一些细节，例如找出这个高能中间体，这个中间体后来再被提到时会简单的以波浪号指代，至少为了维持礼貌的气氛时会是这样。 当然，这个中间体是难以捉摸的 - 整整一代人最优秀的头脑和最聪明的实验科学家花了二十年时间来寻找它；他们提出并拒绝了至少二十个候选，但即便如此，发现它似乎只是时间问题。 它的存在是由细胞的化学性质所决定的，细胞只不过是比一个包着酶的袋子强一点的东西，就像爱德华·毕希纳的门徒所清楚的知道的那样。酶催化了反应，而化学仅仅是关于分子中原子之间的键的学科。
但是一个细节令人不安，并且对呼吸的化学本质感到困惑：产生的ATP分子数量有差异。 单个葡萄糖分子可以生成大约28至38个ATP分子。实际数字随时间变化，虽然它可以高达38，但通常在此范围的下限。但重要的是缺乏一致性。 因为ATP是由电子沿着呼吸链传递形成的，所以一对电子沿链向下传递产生2到3个ATP：不是整数。当然，化学反应是关于整数的，所有曾经努力平衡过化学方程式的人都知道。 半个分子与另一分子的三分之二反应是不可能的。 那么ATP的产生怎么能需要可变的并且非整数个电子呢？
另一个细节也很烦人。呼吸需要一个膜，没有它就不能发生。膜不仅仅是一个包含呼吸复合物的袋子。如果膜被破坏，呼吸就会被解偶联，就像失去链条的自行车一样：我们无论如何踩脚蹬子，车轮也不会转动。当呼吸解偶联时，通过呼吸链的葡萄糖氧化进行得很快，但没有形成ATP。换句话说，输入与输出脱节了，释放的能量以热量的形式消散。这种奇怪的现象不仅仅是对膜的机械损伤的问题：它还可以由许多明显不相关的被称为解偶联剂的化学物质诱导，这些化学物质不会机械地破坏膜。所有这些化学物质（有趣的是，还包括阿司匹林，以及迷幻剂）以类似的方式解偶联了ATP生成中葡萄糖的氧化，但似乎没有任何类型的化学共同点。解耦不能用传统方式解释。
到了20世纪60年代初，该领域开始陷入沮丧的泥潭。 正如瑞克所说的那样（用令人联想到理查德.费曼（Richard Feynman）的著名的量子力学格言）：'任何没有陷入彻底困惑的人，都仅仅是没有理解这个问题。'呼吸以ATP的形式产生能量，但是却没有按照化学的基本规则，这确实似乎是对他们的蔑视。接下来会如何呢？ 即使这些奇怪的发现迫切需要根本性的反思，但没有人为彼得·米切尔（Peter Mitchell）于1961年提供的令人震惊的答案做好准备。
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