要說我們的身體是蛋白質(zhì)組成的許多細胞共同體，這一觀念其實并不符合我們的體驗。我們會感知到身體是各種結(jié)構(gòu)的交織，包括皮膚、骨骼、肌肉、毛發(fā)和指甲。這個材質(zhì)框架具備讓我們與周圍世界互動的必要性質(zhì)。皮膚外表只是一個保護層，細胞一旦形成了這樣的組織就會按既定程序死亡。起到保溫隔熱作用的毛發(fā)也是這樣。指甲同樣如此，它們其實是過去能夠抓、刺、撕、扯的爪子在進化過程中的殘余。骨骼和牙齒主要由堅硬的無機材料磷酸鈣組成。這些材料中的大部分都在我們的一生中不斷更新，也有一些不更新，如眼球晶狀體中的蛋白。

身體中的這些自然材料發(fā)揮著機械性的作用，維持身體結(jié)構(gòu)完整。它們就像樓房中的磚塊、大梁和外墻，保護工人們免遭壞天氣的侵擾，并在其中安置正常經(jīng)營所必備的復雜電線和水管。身體很多結(jié)構(gòu)組織都是蛋白質(zhì)。組織蛋白和酶不同，不需要執(zhí)行那些精巧的化學變化，它們無非得有（例如）堅韌、有彈性或者防水的特性罷了。原則上講，許多非蛋白質(zhì)的材料也都滿足這些條件，如植物就是用纖維素（基于糖的聚合物）來構(gòu)建自身組織的。但蛋白質(zhì)的奇妙之處在于可以千變?nèi)f化。它的分子鏈可以編織成強韌的纖維，而交聯(lián)注或交纏起來則可以形成角或者爪子的堅硬基質(zhì)，或者形成有彈性的薄層。而且，制造蛋白質(zhì)所需的原材料在細胞中非常充裕。蛋白質(zhì)是在基因中編碼的，所以賦予結(jié)構(gòu)蛋白力學性質(zhì)的相應分子特征可以精細地調(diào)節(jié)，整個分子可以可靠地復制。

人體中含量最大的一種結(jié)構(gòu)蛋白占全部蛋白質(zhì)總質(zhì)量的四分之一，這就是膠原蛋白。這是一種比較簡單的蛋白質(zhì)，其鏈狀分子中大部分是兩種氨基酸：甘氨酸和脯氨酸。分子鏈中每三個氨基酸就有一個是甘氨酸，中間夾著脯氨酸和別的氨基酸（尤以賴氨酸為多）。中間的脯氨酸單元經(jīng)過化學修飾，加上了一個氧原子。這一過程有維生素C的參與，這也就是人體需要維生素C來保持組織健康的原因。缺乏維生素C將導致壞血病，病因就是損壞的膠原蛋白沒有被替換。

天然的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)材料與大多數(shù)合成的聚合物塑料有所區(qū)別，膠原蛋白就是一個例證。這兩類材料都是由鏈狀分子組成的，但在結(jié)構(gòu)蛋白中，分子鏈經(jīng)過復雜的排列整合在一起，形成了更厚重的小纖維，就像細線編織成麻繩那樣。小單元組織成大的結(jié)構(gòu)，大結(jié)構(gòu)又組織成更大尺度的結(jié)構(gòu)，這種逐層組織結(jié)構(gòu)要素的排列方式稱為層級結(jié)構(gòu)。建筑師們也學會了利用相同的原理：例如，在古斯塔夫·埃菲爾標志性的鐵塔中，有的支柱是由小鋼梁的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)組成的，而這些小鋼梁又有一部分由更小的鋼梁組成（如圖13）。

塔的設計有很多種，膠原蛋白也表現(xiàn)出若干種不同的大尺度結(jié)構(gòu)，但所有的結(jié)構(gòu)都是從基本的小尺度元素構(gòu)建起來的（如圖14）。每條膠原蛋白分子鏈會卷曲成螺旋狀。三條鏈相互纏繞，形成繩索一般的三螺旋“微纖維”。這些微纖維又通過不同方式相結(jié)合。比如，它們可以交錯排列形成較粗的股，稱為纖維束。由于交錯排列，在電子顯微鏡下就能夠觀察到它的暗條紋。纖維束組成了細胞之間的結(jié)締組織，就是將我們的肉身束縛在一起的繩索。骨骼中包含點綴有羥基磷灰石（主要成分是磷酸鈣）微小晶體的膠原纖維束。因為含有大量的蛋白質(zhì)，所以骨骼柔韌有彈性，同時又很堅固。

不過，膠原纖維自身并不算特別強勁，因為其中的分子并沒有相互連接或者相互交纏。而其他種類的膠原蛋白含有微纖維的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，組成某種堅韌的網(wǎng)絡。外層皮膚與內(nèi)層皮膚相隔離的膜就是由這種結(jié)構(gòu)形成的。

結(jié)締組織中是無序纏繞的結(jié)構(gòu)，與此相反，眼角膜則由膠原纖維有序地排列堆積。這些纖維太小，不足以散射光線，因此這種材料幾乎是透明的。由此我們能看到一條自然界中隨處可見的基本設計原理：通過調(diào)整化學成分，以及——最重要的——改變相同基底分子的層級排列方式，我們有可能得到多種不同的材料性質(zhì)。

膠原蛋白還可以組成肌腱和韌帶這種強韌而有彈性的結(jié)構(gòu)，并構(gòu)成堅固的牙質(zhì)。而我們的體表——如皮膚、毛發(fā)、指甲，以及動物的角和蹄，其中的蛋白質(zhì)則屬于另一類。這些組織的主要成分是角蛋白，這是另一種有著層級結(jié)構(gòu)的纖維。角蛋白的分子鏈同樣也彎曲成螺旋狀，兩條一組卷曲成束：兩條這樣的分子束再次相互纏繞形成“超螺旋”，稱為原纖維；八條原纖維結(jié)成一簇，就形成了角蛋白的基本繩索。類角蛋白的蛋白質(zhì)通過硫原子交聯(lián)，形成不規(guī)則的陣列，包裹住角蛋白纖維，就像混凝土把鋼筋包裹起來那樣。而交聯(lián)決定了材料的硬度，比如毛發(fā)和指甲中的交聯(lián)就比皮膚更為緊密。通過破壞硫原子的交聯(lián)作用，我們可以讓頭發(fā)變得更柔順，于是就可以將卷發(fā)拉直。

毛發(fā)是一種很有用的天然纖維，但大多數(shù)膠原蛋白和角蛋白組成的材料并不是線狀的，而是薄層狀（比如皮膚）或者塊狀的（比如角或蹄）。在分子尺度和顯微鏡尺度上，這些材料都呈纖維狀結(jié)構(gòu)，其原因在于，對于單細胞制造體系而言，造出這樣的結(jié)構(gòu)比造出其他結(jié)構(gòu)——比如鑄造固體塊——要來得簡單。但在這之后，生物體就將微纖維組織成了其他的形狀。