恐龙生活的年代距我们其实很近。
这些波浪状的图案可能是37亿年前形成的化石。
　　第一章：初次实验
　　在历史上的大部分时间里，生命的起源问题其实并没有什么意义，因为答案看似十分明显。在19世纪之前，大多数人都相信所谓的“活力论”（vitalism），认为生物与无生命的物体的不同之处在于，所有生物都被赋予了某种特殊的、具有魔力的特质。活力论往往与宗教有着密不可分的联系。圣经中写道，上帝用“生命之气”赋予了人类生命，永恒的灵魂也是活力论的一种体现。
　　然而活力论本身就是大错特错的。到了19世纪早期，科学家已经发现了几种似乎为生物所独有的物质。其中一种便是尿素，最早于尿液中被发现，并在1799年被成功分离了出来。到这一步为止，它还是符合活力论的。似乎只有生物体内才能产生这些化学物质，因此这些物质中也许也融合了生命的能量。

图为德国化学家弗雷德里希·维勒。
　　但1828年，德国化学家弗雷德里希·维勒（Friedrich W?hler）发现，只需利用一种名叫氰化铵的常见化学物质，便能制造出尿素，而氰化铵似乎与生物没有任何明显的关联。其他科学家也紧随其后，不久便纷纷发现，生物体内的化学物质完全可以用简单的无机物制造出来。
　　活力论作为一种科学理念，至此彻底画上了句号。但要想让人们完全摆脱这种观念，并不是一件容易的事情。对于很多人来说，如果承认生物体内的化学物质没有任何特殊的地方，就等于否定了生命的神奇之处，把我们降到了机器的水平上。并且，这种观念也与圣经相违背。
　　甚至科学家自己也难以彻底否定活力论。一直到了1913年，英国生物化学家本杰明·摩尔（Benjamin Moore）还狂热地推崇着“生物能量”理论，这只不过是换了个名字的活力论而已，本质上并没有任何区别。如今，活力论依然会以各种令人意想不到的形式出现。例如，很多科幻故事中会描述某人的“生命能量”得到了激发、或流失的情节。这些故事听上去很有未来主义色彩，但其实由来已久。
　　1828年之后，科学家虽然有了充分的理由追寻生命起源的真相，但他们并没有这样做。事实上，一连数十年，这个问题都受到了人们的忽视。也许大家仍受到了活力论的牵绊，不忍心迈出下一步。
　　19世纪的真正突破是达尔文和他人提出的进化论。在1859年出版的《物种起源》一书中，达尔文解释道，虽然地球上的物种多种多样，但它们也许都源自某个共同的祖先。它们也并不是由上帝创造的，而是由数百万年前的某个原始生命体演变而来的。

达尔文认为生命也许是在一个“温暖的小池塘”中诞生的。
　　这一观点在当时引起了极大的争议，因为它违背了圣经中的说法。达尔文和他的理论受到了激烈的抨击，基督徒们表现得尤为震怒。不过，进化论并没有讨论最初的生命从何而来的问题。达尔文深知这个问题的重要性。但也许是因为不想再与教会起争执，一直到1871年，他才在一封信件中对这个问题进行了讨论。而他在信中的语气十分兴奋，也说明他知道这个问题是多么的重要。　“但是如果（这个‘如果’可不简单）有这么一个温暖的小池塘，里面充满了各种各样的氨基酸和磷酸盐，再提供光照、热量、电等条件，蛋白质就会在其中生成，然后经历更加复杂的变化……”
　　换句话说，如果有一小片水域中充满了简单的有机化合物、并沐浴在阳光之下，有些化合物也许就会形成蛋白质等生命必备的物质，并进一步演化成更加复杂的东西。这只是一个粗略的想法，但科学家以它为基础，提出了第一批与生命起源相关的假说。
　　你也许会认为，该假说肯定源自于某个类似美国这样的言论自由的民主国家。但事实上，首个与生命起源相关的假说其实是在苏联提出的。在斯大林统治下的苏联，一切都处于国家的控制之下，甚至连传统基因学的研究也受到了禁止。但即使是在这样的环境下，由于亚历山大·奥巴林（Alexander Oparin）是一名忠诚的共产党员，因此他依然得以开展生物化学方面的研究。

图为亚历山大·奥巴林

地球温度降低后，便形成了海洋
　　1924年，奥巴林出版了著作《生命起源》（The Origin of Life）。他在书中介绍了自己对生命起源方式的假设，与达尔文的“温暖的小池塘”假说惊人地相似。
　　奥巴林对地球在形成之初时的模样进行了想象。当时的地表温度极高，到处都是半融化状态的岩石，其中含有大量碳基化学物质。最终，地球逐渐冷却下来，水蒸气凝结成了液态水，以雨水的形式落到了地球上。不久，地球上出现了海洋，海水温度很高，富含碳基化学物质。而接下来可能出现两种情况：
　　第一种情况：各类化学物质可能会进行相互反应，形成大量新化合物，包括一些更加复杂的物质。奥巴林认为，生命的必需物质（如糖和氨基酸等）可能都是在地球上的液态水中产生的。
　　第二种情况，有些化学物质可能会形成某种微型构造。许多有机物无法溶于水，但当它们与水接触时，便会形成微小的液滴，又被叫做“凝聚层”（coacervates），直径最大约为1毫米。
　　在显微镜下，它们就像活生生的细胞一样。它们会变大，会改变形状，有时甚至还会分裂成两个。它们还会从周围的水中吸收化学物质，因此这些液滴内部富含生命所需的化合物。奥巴林指出，这些液滴也许正是现代细胞的祖先。

图为英国基因学家J·B·S·霍尔丹
　　五年之后，英国生物学家J·B·S·霍尔丹（J. B. S. Haldane）也在一篇短文中独立提出了相似的观点。霍尔丹为生物进化理论做出了巨大的贡献，并将达尔文的理论整合进了当时刚刚出现的基因科学之中。和奥巴林一样，霍尔丹也对有机化合物在水中形成的过程进行了描述。“原始海洋为最初的生物、或者类似生物的东西提供了诞生的场所，所有物质都被封在一层‘油膜’中。”
　　这一想法在当时是非常激进的。就像达尔文提出进化论时一样，他们也受到了基督教的猛烈抨击。但苏联的情况还好，因为苏维埃政权都是无神论者。“当时，是否接受这一观点主要取决于个人性格，取决于某个人相信宗教、还是相信共产主义。”德国奥斯纳布吕克大学（University of Osnabrück）的生命起源专家阿尔曼·穆尔基加尼安（Armen Mulkidjanian）指出，“苏联人愉快地接受了这一观点，因为他们不相信上帝的存在。但在西方世界则不然。”这一观点被称作奥巴林·霍尔丹假说。它思路清晰、论证有力，但缺乏实验作为佐证。一直到将近25年之后，才有人开展了这方面的实验。
　　1934年诺贝尔化学奖得主、原子弹的研制者之一哈罗德·尤里（Harold Urey）后来也对生命的起源产生了兴趣。他还将目光投向了外太空中的化学物质，特别是太阳系形成之初究竟经历了怎样的过程。一天他在讲座中指出，地球刚形成时，大气中也许是没有氧气的。这对于奥巴林和霍尔顿假设的情况而言倒是十分合适，因为氧气会对那些脆弱的化合物造成破坏。

图为史丹利·米勒在实验室中
图为米勒·尤里实验装置。
　　一名叫做史丹利·米勒（Stanley Miller）的博士生也去听了这次讲座。他后来找到尤里，提议和他一起验证这个假说。尤里一开始还抱着怀疑态度，但米勒成功说服了他。1952年，米勒开展了在生命起源学界最著名的一次实验。
　　米勒的实验装置很简单。他将一组玻璃烧瓶连在一起，让他认为早期地球上存在的四种物质在其中不断循环：沸水、氢气、氨气和甲烷。然后他不断地电击这四种气体，以此模拟地球形成早期、常常出现的闪电。米勒发现，“一天之后，烧瓶中的水变成了肉眼可见的粉红色；而一周之后，瓶中的混合物变成了浑浊的深红色”。显然，瓶中已经形成了各种各样的化合物。
　　米勒分析了这些混合物，发现其中包含两种氨基酸：甘氨酸和丙氨酸。氨基酸常常被称作生命的基石，它们能构成各种人体所需的蛋白质。而米勒就这么凭空造出了其中两种最重要的成分。米勒的研究结果发表在了1953年的《科学》期刊上。虽然尤里无私地将此次研究全部归功于米勒，但该研究还是被称作“米勒-尤里实验”。“米勒·尤里实验证明，只需简单的大气便能创造出许多生命所需的分子。”剑桥分子生物实验室的约翰·萨瑟兰德（John Sutherland）表示。虽然后续研究显示，早期地球的大气组成并非如此。但此次研究依然具有重要的意义。
　　受到米勒实验的启发，其他科学家也开始尝试凭空创造出简单的有机分子。生命的起源之谜看似就要揭开了。但随后人们发现，生命比我们之前所认为的还要复杂。细胞并不只是一个个装满了化学物质的小包裹，而是复杂精密的微型机器。这样一来，凭空造出细胞就显得更加棘手了。

细胞中的细胞器极为精密复杂。
　　第二章：众说纷纭
　　到了上世纪50年代早期，科学家已经不再相信生命是上帝的恩赐了，而是开始探索生命在地球形成早期自发出现的可能性。在史丹利·米勒实验的启发下，他们甚至还为这一观点提供了实质性的支持。就在米勒开展实验的同时，其他科学家则在试图弄清基因的组成。
　　此时人们已经发现了多种生命必须的化学物质，如糖、脂肪、蛋白质、以及脱氧核糖核酸（简称DNA）等。如今我们都知道DNA是基因的载体，但对于上世纪50年代的生物学家来说，这却是一个石破天惊的消息。蛋白质相比之下更加复杂，因此科学家一度把它们当成了基因。
　　但在1952年，华盛顿卡内基学会的阿尔弗雷德·赫希（Alfred Hershey）和玛莎·蔡斯（Martha Chase）证明了科学家此前的看法是错误的。他们研究了一些仅由DNA和蛋白质构成的简单病毒，这些病毒通过感染细菌的方式来繁殖。结果发现，进入细菌的是病毒的DNA，蛋白质则留在了细菌外面。显然，DNA才是遗传物质。

图为詹姆斯·沃森与弗朗西斯·克里克和他们的DNA模型
　　赫希和蔡斯的发现促使科学家们对DNA的结果展开了狂热的研究。仅仅一年之后，这一问题就被剑桥大学的弗朗西斯·克里克（Francis Crick）以及詹姆斯·沃森（James Watson）攻克了。同事罗莎琳德·富兰克林（Rosalind Franklin）为他们提供了许多帮助，但她的作用却受到了低估。
　　他们的研究结果是20世纪的重大科学发现之一。他们揭露了细胞内部极为精密复杂的结果，因而改变了生命起源的研究方向。克里克和沃森意识到，DNA是双螺旋结构，就像一道被扭成了弹簧状的楼梯一样。梯子的“两极”由一种名叫核苷酸的分子构成。这一结果也让科学家了解了细胞复制DNA的过程，换句话说，也就是父母双方复制自己的基因、并遗传给子女的过程。
　　关键在于，DNA的双螺旋结构可以“解开”，使遗传密码子（由A，T，C，G四种碱基构成）暴露在外，成为模板，然后复制出另一条DNA链。通过这一机制，基因便可以代代相传。你的基因也许最早来自于某个远古时期的细菌，每一次复制都按照克里克和沃森发现的规则进行。
　　克里克和沃森的研究结果发表在了1953年的《自然》期刊上。在接下来的几年间，生物化学家纷纷对DNA展开了分析，想弄清它究竟携带了哪些信息、这些信息是如何被细胞所利用的。生命最深的奥秘终于得以真相大白。

DNA几乎是所有生物的核心成分。
RNA或许是生命起源的关键。
　　结果发现，DNA的任务只有一个：指导细胞产生蛋白质。如果没有蛋白质，你就无法消化食物，心脏无法跳动，呼吸也无法进行。但利用DNA产生蛋白质的过程可谓极其复杂。要想解释生命的起源，就必须面对这个艰难的问题，因为我们很难想象，如此复杂的事物最开始是如何起步的。
　　从本质上来说，每个蛋白质分子都由一长串氨基酸按照特定顺序构成。氨基酸的排列顺序决定了蛋白质的三维形状，以及蛋白质的功能。这些信息就埋藏在DNA的碱基对序列中。因此，如果细胞需要产生某种特定的蛋白质，它就会读取DNA中的相关基因，从而了解氨基酸的排列顺序。但DNA十分宝贵，需要好好保护。因此，细胞会将DNA上的信息复制到另一种名叫RNA的短分子上。如果把DNA比作图书馆藏书的话，RNA就是复印下来的章节片段。RNA与DNA相似，但它只有一条链。
　　最后，细胞会将RNA链上携带的信息转化为蛋白质，过程将在一种名叫“核糖体”的、极为复杂的分子中进行。
　　每个活细胞中都会经历这样的过程，即使是最简单的细菌也不例外。对于生命来说，它就像吃饭和呼吸一样重要。而要想解释生命的起源，就必须说清DNA、RNA和核糖体蛋白质之间的复杂关系是如何出现的。这样一来，奥巴林和霍尔丹的理论就显得太过简单了，米勒的实验也显得颇为业余。他并没有创造出生命，他的研究仅仅是万里长征第一步而已。
　　第一位真正解决了这一问题的人是一名叫做莱斯利·奥格尔（Leslie Orgel）的英国化学家。他先是对这个问题进行了简化。在克里克的支持下，他于1968年发表了一篇论文，指出早期生命中并不存在蛋白质或DNA，而几乎全都是RNA。这些原始的RNA分子功能灵活多变。例如，它们必须能复制自身，也许它们同样利用了与DNA类似的碱基配对机制。
　　这一观点产生了很大的影响力，但也引发了科学界的巨大争议，一直到今天仍无定论。奥格尔指出生命最初只拥有RNA，说明他认为繁殖能力（生命的关键能力）出现得最早。也就是说，他不仅解释了生命最初是如何形成的，还解释了生命究竟为何物。
　　许多生物学家都赞同奥格尔的理论。在达尔文的进化论中，繁殖能力是生物的核心能力之一：只有留下尽可能多的后代，才能在竞争中“胜出”。但生物的其它能力似乎也同样重要，如新陈代谢，即从周围环境中摄取能量、维持生命的能力。许多生物学家认为，新陈代谢是生物最早具备的能力，其次才是繁殖能力。因此，从上世纪60年代开始，研究生命起源的科学家分成了几大阵营。“一派认为新陈代谢最先出现，另一派认为基因复制能力最先出现。”萨瑟兰德说道。
　　与此同时，还有第三派科学家认为，最先出现的应当是一个储存关键化学物质的“容器”，将生命必备的分子聚集在一处。换句话说，他们认为最先出现的是细胞，这样才有新陈代谢的场所。
　　这三种理论都有各自的支持者，并一直流传到了今天。科学家也积极地投入到了自己所支持的观点中，有时甚至难免盲目。结果，科学家们在出席探讨生命起源的会议时常常争吵不休，对彼此的观点进行激烈抨击。但由于奥格尔，“生命起源于RNA和基因”的观点在这场争论中开了个好头。而到了上世纪80年代，人们又做出了另一项惊人发现，这一观点似乎已经板上钉钉了。

　　第三章：寻找最早的复制子
　　上世纪60年代之后，针对生命的起源问题，科学家分成了三大阵营。有些人相信生命起步于原始生物细胞的形成；有些人认为最先形成的是新陈代谢系统；还有些人认为基因和复制最为重要，并开始思索最初的复制子（replicator）究竟是什么样的——当时的主流思想认为，复制子由RNA构成。
　　上世纪60年代，科学家已经有了足够的理由相信RNA是所有生命的起源。具体来说，RNA拥有一些DNA不具备的功能。它是一条单链分子，因此它可以将自己折叠成各种不同的形状。RNA的这一特点和蛋白质很相似。蛋白质也是长链分子，可以组合成各种复杂的结构，只不过由氨基酸、而非核苷酸构成。
　　这便是蛋白质最神奇的能力的关键所在。有些蛋白质能加速（又称催化）化学反应，它们被称作酶。人类的肠道中就有许多酶，它们能将食物中的复杂分子分解为较为简单的分子（如糖等），以便被细胞吸收。如果没有了酶，你就无法生存。
　　莱斯利·奥格尔和弗朗西斯·克里克猜测，如果RNA能像蛋白质一样折叠的话，也许RNA也可以形成酶。若真是这样，RNA也许就是最早出现的多功能有机分子，既能像DNA一样存储遗传信息，又能像某些蛋白质一样催化化学反应。
　　这是一个诱人的想法，但一连十几年，他们都没能找到证据。

图为2007年的托马斯·切赫。
　　上世纪80年代初，生物化学家托马斯·切赫（Thomas Cech）与科罗拉多大学波尔多分校的同事们对一种名叫四膜虫（Tetrahymena thermophila）的单细胞生物进行了研究。它的一部分细胞器中含有RNA链。切赫发现，有一部分RNA有时会和其它RNA分离开来，就好像被剪刀剪断了一样。该团队移除了所有可能起作用的酶和其它分子，但RNA依旧如此。就这样，他们发现了第一种RNA酶：一小段可以从原本所属的RNA长链上自行脱离的RNA片段。
　　切赫于1982年发表了自己的研究结果。一年之后，另一支研究团队发现了第二种RNA酶，取名为核酶（ribozyme）。科学家在短短一年中相继发现了两种RNA酶，说明RNA酶的种类还有很多。一时间，“生命源自于RNA”的理论看上去前景大好。
　　哈佛大学的沃特·吉尔伯特（Walter Gilbert）本是一名物理学家，但他对分子生物学产生了浓厚的兴趣，并成为了人类基因组测序的最早一批支持者之一。1986年，他在《自然》期刊上发表的一篇论文中提出，生命正是从“RNA世界”中起源的。吉尔伯特认为，在进化的第一阶段，“RNA分子主要起到了催化剂的作用，在一堆核苷酸的混合物中将自己组装了起来”。通过剪切和复制不同的RNA片段，RNA分子逐渐形成了更具实际意义的序列。最终，它们找到了制造蛋白质和蛋白质酶的方法，RNA也逐渐向现代生命形式转化。
　　RNA世界学说可以很好地解释生命从无到有的演变过程。不需要依赖原始的化学物质混合物自发地形成各种有机分子，无所不能的RNA分子自己便可以包揽全部工作。2000年，RNA世界学说获得了一项重要的证据支持。
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核糖体可以制造蛋白质
　　托马斯·施泰茨（Thomas Steitz）用了30年时间，潜心研究活细胞中的分子结构。而在上世纪90年代，他遇到了一项重大挑战：分析核糖体的结构。
　　每个活细胞中都有核糖体。这个巨大的分子会读取RNA中的信息，然后将氨基酸组合在一起形成蛋白质。你身体的大部分都是由核糖体制造出来的。此前人们认为，RNA只不过是核糖体的一部分而已。但在2000年，施泰茨的研究团队详细地分析了核糖体的结构，发现RNA其实是核糖体中的催化核心。这一点至关重要，因为核糖体对于生命来说具有根本性的意义，并且自古有之。而这样一个关键的细胞器居然以RNA为基础，RNA世界学说就显得更加可信了。
　　这一发现令RNA世界学说的支持者们大为振奋。施泰茨因此获得了2009年诺贝尔奖。但质疑的呼声也接踵而至。
　　RNA世界学说从一开始就存在两处疑点。其一，RNA真的能靠一己之力、承担起全部生命功能吗？其二，它真的是在早期的地球上形成的吗？
　　吉尔伯特提出RNA世界学说至今已经过去了30年，我们仍未找到确凿的证据，证明RNA能够完成理论中声明的那些任务。RNA的确是一种能干的分子，但它也许并没有那么多才多艺。因此我们必须解决一个问题。如果生命源自于RNA分子的话，那么RNA就必须能对自己进行复制，即拥有自我复制的能力。但目前我们还未发现过能够自我复制的RNA或DNA。RNA或DNA的复制过程需要大量酶和其它分子的参与。因此，上世纪80年代末，几名生物学家开始了一次看似疯狂的研究：人工制造出能够自我复制的RNA。
图为杰克·绍斯塔克。
RNA也许并不能承担起催生生命的重任。
　　哈佛大学医学院的杰克·绍斯塔克（Jack Szostak）便是第一批参与该项目的科学家之一。他对切赫的RNA酶产生了兴趣。“我觉得这项研究很酷，”他说道，“从理论上来说，RNA也许是有可能在自我复制过程中发挥催化作用的。”
　　1988年，切赫发现了一种RNA酶，可以制造出一条包含10个核苷酸的RNA短链。而绍斯塔克也开始在实验室中试图研发新的RNA酶。他的研究团队生成了各种各样的随机序列，然后对这些序列展开测试，观察哪些具有催化活性。然后将它们分离出来，做出微调，再用它们进行测试。
　　10轮实验之后，绍斯塔克终于合成了一种RNA酶，能够使反应速度提高到原来的700万倍。他们证明了RNA酶的功能非常强大，但却无法对自身进行复制。这条路终究行不通。
　　2001年，绍斯塔克之前在麻省理工学院教过的学生戴维·巴特尔（David Bartel）取得了重要进展。他合成了一种名叫R18的RNA酶，可以按照已有模板、向RNA链中加入新的核苷酸。换句话说，这种酶并不是随机地添加核苷酸，而是完成了正确的序列复制。
　　这虽然算不上自我复制，但也是一次可喜的进步。R18是一条由189个核苷酸构成的长链，可以向另一条RNA链中添加11个核苷酸，占自身长度的6%。理想情况下，只要它多复制几次，就能生成一条和它一样包含189个核苷酸的长链了。

DNA在早期地球上的形成过程并不容易
图为苏糖核酸（TNA）的分子结构。
　　2011年，剑桥分子生物实验室的菲利普·霍利格（Philipp Holliger）做了一次出色的尝试。他的研究团队对R18进行了修改，合成了tC19Z。tC19Z一次可以复制95个核苷酸，占自身长度的48%。虽然这已经远远超出了R18能够复制的长度，但离100%的目标还有一定距离。
　　加州斯克利普斯研究所的杰拉德·乔伊斯（Gerald Joyce）和特蕾西·林肯（Tracey Lincoln）也开展了这方面的研究。2009年，他们合成了一种能够以间接方式实现自我复制的RNA酶。
　　这种RNA酶可以将两段RNA片段结合在一起，合成一种新的酶。后者再将另外两段RNA片段结合在一起，形成了第一种酶的复制品。只要原材料充足，这个过程就可以无止境地循环下去。但这些酶只对特定的RNA链起作用。
　　很多RNA世界学说的怀疑者认为，这一理论的致命之处在于，我们找不到能够自我复制的RNA。这样看来，RNA似乎无法承担生命起源的重任。雪上加霜的是，化学家无法凭空造出RNA。与DNA相比，RNA看似是一种简单的分子，但事实证明，合成RNA是一件极其困难的事情。
　　问题在于，我们虽然可以分别合成糖和核苷酸的基团，但却无法把它们连接在一起。
　　到了90年代初，科学家已经意识到了这个问题。很多生物学家因此对RNA世界学说产生了怀疑。也许早期地球上还存在另一种比RNA更简单的分子，能够在早期的原始化学物质混合物中将自己组装起来、并开始自我复制。也许这种分子最先出现，然后才出现了RNA、DNA等等。
　　1991年，哥本哈根大学的彼得·尼尔森（Peter Nielsen）提出了一种可能的原始复制子。它就像经历了大量改动后的DNA。尼尔森保留了DNA中的碱基（A，T，C，G），并用聚酰胺取代DNA中的糖类作为骨架。他把这种新分子称作聚酰胺核酸，简称PNA，后来又被称作多肽核酸。
　　人们从未在自然界中发现过PNA的存在，但它的特性与DNA十分相似，PNA链甚至能取代DNA分子中的一条链，碱基配对仍能照常进行。并且就像DNA一样，PNA也能形成双螺旋结构。
　　史丹利·米勒对此产生了浓厚的兴趣。他本就对RNA世界学说有所怀疑，在他看来，PNA更可能是最早出现的遗传物质，2000年，米勒找到了更加有力的证据。此时他已年逾七旬，身体欠佳，但他仍未放弃研究。他重复了自己当年的经典实验，只不过这一次使用的原料为甲烷、氮气、氨气和水，最终得到了PNA的聚酰胺骨架。这说明早期地球上形成的很可能就是PNA，而不是RNA。而其他化学家也提出了不同形式的核酸。
　　2000年，阿尔伯特·埃申莫瑟（Albert Eschenmoser）合成了苏糖核酸（简称TNA）。TNA与DNA基本相同，只不过构成骨架的糖类型不同。TNA链也可以构成双螺旋结构，还能与RNA相互复制信息。此外，TNA也能折叠成复杂的形状，甚至可以和蛋白质结合在一起。这说明TNA也许和RNA一样，也能发挥酶的作用。
　　2005年，埃里克·梅格思（Eric Meggers）合成了乙二醇核酸，也可以形成双螺旋结构。这些核酸的合成者都支持自己的观点、互不相让。但在自然界中，我们从未发现过这些核酸的踪迹。因此，如果原始生命确实采用过这些核酸的话，后来肯定又弃之不用、改用了RNA和DNA。事实有可能是这样，但我们依然缺乏证据。因此，RNA世界学说的支持者们仍处于进退两难的窘境之中。
　　从另一方面来看，RNA酶确实是存在的，而且在核糖体中占据了核心地位。但人们仍未找到能自我复制的RNA，也想象不出RNA最初是怎样在原始物质混合物中形成的。其它形式的核酸或许能解决后一个问题，但又找不到它们在自然界中存在的依据。
　　我们只能得出这样的结论：RNA世界学说虽然看上去可信，但并不是全部的真相。
　　与此同时，自上世纪80年代以来，另一种理论也在逐渐兴起。该理论的支持者认为，生命并非源自于RNA或DNA、或其它遗传物质，而是从演变出了某种能够利用能量的机制开始的。

在这样的环境中，生命所需的分子如何才能形成呢？
生命需要能量。
　　第四章：质子的力量
　　我们在第二章中介绍过，科学家就生命的起源问题分成了三大阵营。一部分人认为，生命源自于RNA分子，但他们无法解释RNA或类似的分子最初是如何自发形成、并实现自我复制的。他们的研究刚开始还令人激动，最终却使人沮丧不已。不过就算是在该理论的鼎盛时期，依然有其他科学家认为，生命有着另一种截然不同的起源方式。
　　RNA世界学说建立在一个简单的概念基础之上：繁殖是生物最重要的能力。许多生物学家都赞同这一点。然而，许多研究生命起源的科学家认为繁殖能力并不是最重要的。生物在繁殖后代之前，必须能够维持自己的生命。毕竟，如果你早早夭亡，就不可能有任何后代了。
　　我们维持生命的方式是进食，绿色植物则会从阳光中汲取能量。这两者看似大相径庭，但本质上都是在吸收能量。这一过程就叫做新陈代谢。首先，你要获得能量；其次，你必须利用这些能量来生成细胞等必备物质。对能量的利用可谓至关重要。许多研究人员认为，这应当是生命最先拥有的能力。
　　那么，这些仅有新陈代谢能力的生物究竟长什么样呢？最具影响力的假设由冈特·瓦施特肖塞（Günter Wachtershauser）于80年代末提出。他其实并不是一名专业的科学家，而是一名有着化学背景的专利律师。
　　瓦施特肖塞提出，最初出现的生物“与我们见过的任何生物都截然不同”。它们并非由细胞构成，体内也没有酶、DNA或RNA。瓦施特肖塞想象出了一股从火山中冒出的水蒸气，其中富含氨气等气体，还有一些来自火山内部的微量矿物质。这些水在岩石上流过时，水中便会发生一系列化学反应。关键在于，水中的金属元素会帮助简单的有机化合物组合成更复杂的化合物。
　　真正的转折点在于首个新陈代谢循环的出现。在该循环中，一种化学物质会被转化为其它一系列化学物质，最终重新生成最初的化学物质。而在这一过程中，系统会吸收能量，重新启动循环，继而开展各种生命活动。
　　现代生物体内的各种结构，如DNA、细胞和大脑等，都是以这些化学循环为基础的。这些新陈代谢循环听上去并不能算作生物。瓦施特肖塞把他的设想结果称作“前体生物”（precursor organisms），并在论文中指出“你很难把它们称作有生命的东西”。但类似这样的新陈代谢循环正是每个生物的核心。你的细胞就像一座座微型化学加工厂，不断将一种化学物质转化为另一种物质。新陈代谢循环看起来并不像生物，但它们对于生命而言至关重要。
　　上世纪80年代和90年代，瓦施特肖塞对自己的理论展开了极为详细的研究。他列出了最适合做反应表面材料的矿物，以及可能发生的化学反应循环。他的观点逐渐吸引了一批支持者。但这依旧停留在理论层面。瓦施特肖塞还需要实际发现来佐证自己的观点。幸运的是，这样的证据早在十年之前就被人发现了。

火山水温度很高，并且富含化学元素。
图为太平洋中的海底热泉。
热泉周围生活着许多怪异的生物。
　　1977年，一支由俄勒冈州立大学的杰克·科里斯（Jack Corliss）带领的研究团队将一枚探测器送到了东太平洋海面下方2.5公里的深处，对加拉帕戈斯热点（Galápagos hotspot）展开了调查。这里的海床上分布着许多高高的石脊。而他们知道，这些石脊的火山活动十分活跃。
　　科里斯发现，这些石脊上布满了热泉。滚烫的、富含化学物质的水通过岩石上的孔洞喷涌而出。令人惊奇的是，这些热泉周围聚集着大量奇特的生物，如巨大的牡蛎、笠贝、淡菜和管蠕虫等。水中还含有大量细菌。它们全都以热泉提供的能量为生。这一发现使克里斯名声大噪，也引发了他的思考。他于1981年提出，40亿年之前的地球上也存在类似的热泉，而这些热泉可能就是生命起源的场所。
　　克里斯指出，热泉中可以产生种类丰富的化学物质，每一座热泉中都充满了原始化学物质的混合物。而这些热水在岩石上流过时，热量和压力便会使简单的有机化合物合成更加复杂的化合物，如氨基酸、核苷酸和糖类。热水即将流入海洋之前，水温下降，这些化合物便会开始形成链状结构，组成碳水化合物、蛋白质、以及DNA这样的核苷酸链等等。接下来，在热水流入海洋、进一步冷却之后，这些分子便组合成了简单的细胞。
　　这种设想很有道理，很快便吸引了人们的注意。但史丹利·米勒却不为所动。他在1988年的一篇文章中指出，这些热泉的温度太高了。虽然极端高温可以推动氨基酸等化学物质的形成，但米勒的实验表明，高温也可能对氨基酸造成破坏。糖类等关键化合物“最多只能坚持几秒钟”。此外，这些简单的分子也不可能形成链状结构，因为它们遇水就会土崩瓦解。

图为地质学家、生命起源学者迈克·拉塞尔
　　这时，地质学家迈克·拉塞尔（Mike Russell）也参与到了争论之中。他认为热泉理论是可以行得通的。并且他认为，这些热泉很适宜瓦施特肖塞提出的前体生物生存。最终，他提出了最被广为接受的生命起源理论。
　　拉塞尔对地球表面在数十亿年间发生的变化有着浓厚的兴趣，他的生命起源理论也受到了这一背景的影响。上世纪80年代，他在一类较为温和的热泉（温度低于150摄氏度）中找到了化石证据。他认为若是在这样的温度下，有机分子便能存活更长时间。此外，这些热泉中的化石还有一些奇特之处：有一种名叫黄铁矿的矿物（由铁和硫构成）竟然形成了直径约1毫米的管状，拉塞尔在实验室中研究后发现，这些黄铁矿也可以形成球状小液滴。因此他认为，第一批复杂的有机分子可能就是在这些简单的黄铁矿构造中形成的。
　　差不多就在这段时期，瓦施特肖塞发表了自己的观点。他也想象了一股富含化学物质的热水从矿物上流过时会发生什么情况，甚至还提出黄铁矿也参与了这些化学反应。拉塞尔依据这些事实做出了推断。他提出，如果深海的热泉足够温和、能够产生上述黄铁矿构造的话，热泉中也许就存在瓦施特肖塞设想的前体生物。如果拉塞尔的推断正确，那么生命就是在深深的海底诞生的，而且最先演变出了新陈代谢能力。
　　拉塞尔在1993年发表的论文中阐述了自己的观点，此时距米勒的经典实验已经过去了40年。他并未像米勒一样引发巨大的轰动，但他的研究更加重要（这点仍存在争议）。瓦施特肖塞的新陈代谢循环和克里斯的热泉理论看似无关，但拉塞尔却成功将它们结合在了一起，提出了令人信服的结论。
　　更令人吃惊的是，拉塞尔还解释了最初的生物是如何获取能量的。也就是说，他研究出了它们新陈代谢机制的运作方式。而他的理论基础，却来自一位被现代科学所遗忘的天才。
　　上世纪60年代，生物化学家彼得·米歇尔（Peter Mitchell）因病被迫从爱丁堡大学辞职，随后在康沃尔的一处偏远住宅成立了私人实验室。他离群索居、缺乏资金。前文提到的多位科学家最初都认为他的理论荒诞不经。
　　但不到20年，米歇尔就取得了最终的胜利：他荣获了1978年的诺贝尔化学奖。他的名字并非家喻户晓，但他的理论却被写入生物教科书中广为传颂。
　　米歇尔将主要精力用在了研究生物如何处理从食物中获取的能量上。他知道所有细胞都将能量储存在同一个分子——三磷酸腺苷（ATP）中。该分子的关键部分是一条由三个磷酸基团构成的链状结构，三个基团均与腺苷相连。第三个磷酸基团加入这一结构时，需要大量的能量，而这些能量随后便被储存在了ATP中。
　　当细胞需要能量时（例如当肌肉收缩时），ATP最末端的一个磷酸基团便会脱离主体，同时释放出能量，剩余的部分叫做二磷酸腺苷（ADP）。
　　米歇尔想知道的是，这些细胞一开始究竟是如何合成ATP的？它们又是如何在ADP中积累起足够的能量、让第三个磷酸基团与主体相连的？米歇尔知道，合成ATP所需的酶存在于细胞器内膜或细胞膜上。因此他提出，细胞可能会将带电粒子（即质子）泵到这些膜外面，所以膜的一侧会有大量质子，另一侧则几乎没有。而为了平衡两侧的质子数量，膜外的质子会试图流回到膜的内侧。但有酶的地方才是它们的唯一“通道”。而当质子流过时，便会为酶提供合成ATP所需的能量。
　　米歇尔在1961年首次提出了自己的观点，并用了接下来的15年时间证明它。如今我们已经知道，每个生物体内都会上演米歇尔所提出的这一过程。就像DNA一样，这个过程对生命同样具有至关重要的意义。
　　拉塞尔将米歇尔的质子梯度理论运用到了自己的学说当中：细胞膜的一侧聚集了大量质子，另一侧则几乎没有质子。只有出现了这样的质子梯度，细胞才能储存能量。
　　现代细胞通过将质子泵到膜的外侧来创造质子梯度，但这一过程需要复杂的细胞器参与，而细胞器并不是一开始就有的。因此拉塞尔运用逻辑进行了解释：生命形成之初，周围环境中一定存在天然的质子梯度。

图为大西洋中“失落之城”地热区域的一部分
图为一座叫做“黑烟斗”的热泉。
　　热泉可能符合这样的条件，但一定要是一类特殊的热泉才行。地球刚刚形成时，海水的酸性很强，其中含有大量质子。而要想形成质子梯度，热泉中的水质子含量必须很低，也就是说，这些水必须是碱性的。
　　科里斯发现的热泉就不行，不仅因为水温过高，还因为水呈酸性。但在2000年，华盛顿大学的黛博拉·凯利（Deborah Kelley）找到了第一座碱性热泉。
　　凯利的科学之路历尽艰辛，但她终究取得了成功，并对海底火山和热泉产生了兴趣。最终，她在大西洋中部找到了一处地壳裂口，并在凸出海床的山脊上发现了一片布满热泉的区域。她将此地叫做“失落之城”（Lost City）。这些热泉与科里斯发现的热泉不同，水温仅有40-75摄氏度，并且呈弱碱性。海床上耸立着一根根白色烟囱状的结构，上面凝结着大量碳酸盐矿物质。这里生存着大量微生物。
　　这些碱性热泉与拉塞尔的理论可以完美契合。拉塞尔也相信，像“失落之城”这样的热泉也许正是生命起源的地方。

图为细胞从热泉中逃逸的情景。
热泉周围生活着许多怪异的生物。

　　但问题是，作为一名地质学家，他对生物细胞的了解还不够，导致他的理论无法真正令人信服。因此拉塞尔与生物学家威廉·马丁（William Martin）展开了合作。2003年，两人共同发表了修改后的理论，进一步充实了生命起源学说。
　　由于凯利所做的工作，他们知道了这些碱性热泉的岩石上分布着许多细小的、注满了水的孔洞。他们认为，这些小小的孔洞就像“细胞”一样。每个孔洞中都含有生命必需的化学物质，包括像黄铁矿这样的矿物等。再加上热泉创造的天然质子梯度，这里正适合演变出新陈代谢系统。
　　拉塞尔和马丁指出，一旦生命开始从热泉水中汲取能量之后，它们就会开始合成RNA等分子了。最终还形成了膜结构，变成了真正的细胞。然后这些细胞便会离开岩石，进入海水之中。
　　这一理论如今是生命起源领域最著名的假说之一。
　　2016年7月，马丁在一篇论文中指出，他设法重建了“最后的共同祖先”（last universal common ancestor，简称LUCA）的一些特征。“最后的共同祖先”指的是某种数十亿年前的古生物，所有现代生命都从它演化而来。
　　我们或许永远也找不到这种生物的直接化石证据，但我们可以通过观察现有的微生物、对它的外观和行为进行合理的推测。而这正是马丁的做法。
　　他对1930种现代微生物的DNA进行了分析，发现有355个基因几乎为每种微生物所共有。说明这355个基因来自于这些微生物的共同祖先。
　　在这355个基因中，有些基因负责让细胞从质子梯度中获取能量，但它们都无法凭空创造出质子梯度。这与拉塞尔和马丁的理论所预测的一模一样。并且，“最后的共同祖先”似乎能很好地适应甲烷等化学物质的存在，说明它们曾生活在火山活动频繁的环境中——比如热泉。
　　尽管如此，RNA世界学说的支持者仍认为热泉理论存在两处疑点。其中一个问题或许已经得到了解决，但另一个问题却是致命的。
　　第一个问题是，拉塞尔和马丁描述的过程缺乏实验证据。他们的理论环环相扣，但皆缺乏实验佐证。　“认为繁殖能力最先出现的人不断用实验数据来证明自己的观点。”生命起源专家阿尔曼·穆尔基加尼安指出，“但新陈代谢的支持者们却没有这么做。”
　　不过，在马丁的同事、伦敦大学学院的尼克·雷恩（Nick Lane）的帮助下，情况可能会有所变化。他发明了一台“生命起源反应器”，能够模拟碱性热泉的内部环境。他希望今后能从中观察到新陈代谢循环、甚至找到RNA之类的分子。但目前还为时过早。
　　第二个问题是热泉在深海中所处的位置。就像米勒在1988年指出的那样，没有酶的帮助，像RNA和蛋白质这样的长链分子是无法在水中形成的。
　　许多研究人员认为，这一点足以推翻整个理论。“如果你懂一些化学知识，你就不会相信深海热泉理论，因为这些分子的化学性质是无法与水相容的。” 穆尔基加尼安说道。尽管如此，拉塞尔和他的支持者们仍然兴头高涨。但就在几年前，第三种理论开始逐渐兴起，并获得了一系列有力的实验证据。该理论提出了一种凭空制造出完整细胞的方法，而无论是RNA世界理论、还是热泉理论都没能做到这一点。

如果没有细胞，就没有生命。
一切生物都由细胞组成。
细胞的形成过程仍不得而知。
几乎所有生命都是单细胞生命。

　　第五章：如何造出一个细胞
　　21世纪初，生命起源学界有两大主流学说。RNA世界理论的支持者相信，生命是从能够自我复制的分子开始的；而认为新陈代谢能力最先出现的科学家则详细地解释了生命在深海热泉中的起源过程。不过在此期间，第三种理论也开始悄然兴起。
　　地球上的所有生物都是由细胞组成的。细胞就像一个个又湿又软的小球，外面包裹着细胞壁或细胞膜。
　　细胞的作用在于，把生命的必备物质聚集在一起。如果外膜破裂，内容物流出，细胞就会死亡。这层外膜具有极其重要的意义，因此有一些研究人员认为，细胞膜肯定是最先出现的部分，无论是“基因论”还是“新陈代谢论”，都对人造成了误导。意大利罗马第三大学的皮尔·里基·里斯（Pier Luigi Luisi）便是这种观点的支持者。
　　里斯的理由很简单，但又难以辩驳。无论是新陈代谢系统还是能自我复制的RNA，都需要大量化学物质才能进行，如果你没有装纳这些分子的容器，怎么可能实现这些过程呢？
　　这样看来，生命的起源似乎只有一种可能。在炽热、动荡的早期地球上，几种化学物质通过某种方式，形成了天然的细胞，又称“原始细胞”（protocells）。问题是，我们如何才能在实验室中造出一个简单的活细胞呢？
　　里斯的学说可以追溯到亚历山大·奥巴林生命在起源学刚刚出现时提出的理论。奥巴林提出，一些特定的化学物质会形成液滴状结构，将其它化学物质包含在内。里斯认为，这些液滴状结构便是最早期的原始细胞。
　　任何油状物质在水中都会形成液滴。由于这些物质被统称为“脂类”，该学说也就被称作“脂类世界学说”。但仅有这些液滴是不够的。液滴必须足够稳定，必须能以分裂的形式生成“子液滴”，还必须能对进出其中的化学物质加以控制。而现代细胞需要在复杂的蛋白质帮助下才能实现这些功能。挑战在于，如何才能正确地制造出原始细胞呢？虽然里奇在长达十几年的时间里尝试了多种原材料，但结果都不尽如人意。
　　1994年，里斯提出了一个假设：最初的原始细胞中一定含有RNA，并且这些RNA可以在原始细胞内部实现自我复制。这个假设十分大胆，而且意味着里斯放弃了最初的“细胞膜论”。但里斯这么做是有充分的理由的。如果细胞只有外膜，内部没有基因，它拥有的功能便十分有限。它或许还可以分裂成子细胞，但无法向后代传递任何与自己相关的信息。只有拥有了基因，细胞才能进一步演化、变得更加复杂。
　　该理论很快便获得了杰克·绍斯塔克的鼎力支持。在第三章中，我们曾介绍过他对RNA世界假说所做的研究。而此前由于双方观念不同，他们从未赞同过对方的观点。“我们在这个问题上争论了许多年，最终我们意识到，细胞膜和基因对细胞而言缺一不可，”绍斯塔克指出，“因此我们达成了共识：生命在起源之初，一定既有膜状结构、又有基因系统。”
　　2001年，绍斯塔克和里斯进一步统一了结论。他们在发表于《自然》期刊上的一篇论文中指出，我们或许可以通过在简单的脂类液滴中复制RNA分子，人工制造出简单的活细胞。
　　这是一个激动人心的想法，绍斯塔克不久便投入到了实践当中，做起了原始细胞的实验。两年之后，绍斯塔克和两名同事终于宣布自己取得了成功。
囊泡是指由脂类构成的简单“容器”细胞通过分裂进行繁殖
　　他们设法制成了一种囊泡状结构，外面是两层脂肪酸，中间包裹着液体。为了加速这些囊泡的形成，他们向其中加入了一种名叫蒙脱石的黏土微粒，结果囊泡的生成速度快了一百倍。黏土表面起到了催化剂的作用，就像酶扮演的角色一样。
　　并且，这些囊泡还能吸收蒙脱石微粒、以及黏土表面的RNA分子链。这样一来，原始细胞中就有了基因和催化剂，而这些都是通过一组简单的实验装置实现的。
　　加入蒙脱石的决定并非一时兴起。数十年的研究表明，蒙脱石以及类似的黏土也许在生命的起源过程中发挥了重要的作用。蒙脱石是一种常见的黏土，广泛运用于多种产品中，如猫砂等。它是火山灰在天气作用下风化分解的产物。而早期地球上存在大量火山，蒙脱石含量很可能十分丰富。
　　1986年，化学家詹姆斯·费瑞斯（James Ferris）证明了蒙脱石可以在有机分子的形成过程中起到催化剂的作用。他后来还发现，蒙脱石还能加速小型RNA分子的形成。
　　费瑞斯因此推测，这种看上去平平无奇的黏土或许正是生命起源的地方。绍斯塔克借鉴了这一观点，并采用了蒙脱石来加速原始细胞的形成过程。

最初形成的细胞中必须含有生命所需的化学物质。
　　一年之后，绍斯塔克的研究团队发现，他们的原始细胞已经可以自主生长了。随着更多的RNA进入了原始细胞中，细胞外膜受到的压力也越来越大。为了装下它们，原始细胞就需要吸收更多的脂肪酸、将它们融合到细胞外膜中，从而使表面积增大、减小所受的压力。
　　最重要的是，它们还会从其它RNA含量较少的原始细胞中吸收脂肪酸，使后者体积不断收缩。这说明原始细胞间也存在相互竞争关系，细胞中的RNA越多，就越占上风。
　　这一点实在令人惊奇。既然原始细胞可以长大，它们或许也可以分裂。那么，绍斯塔克的原始细胞能够实现自我复制吗？
　　绍斯塔克用实验证明了这些原始细胞是可以分裂的。他让这些细胞从狭小的孔中挤过去，结果细胞被拉成了细长的管状，随后分裂成了两个“子”细胞。该方法很有说服力，因为不需要细胞器的参与，只需施加压力就可以了。但这个方案并不完美，因为原始细胞在挤压过程中会损失一部分内容物。并且它还暗示着，最初的细胞必须被迫从狭小的孔洞中穿过、才能实现分裂。
　　而事实上，使囊泡结构分裂的方法还有很多种，如用强劲的水流施加剪切应力等等。关键是，在原始细胞分裂的过程中，不能让细胞内容物流出。

　　2009年，绍斯塔克与学生朱听一起找到了解决方案。他们制造了一种更加复杂的原始细胞，外面包裹着好几层细胞膜，就像洋葱一样。虽然听上去很复杂，但这些细胞的制造过程其实很简单。朱听为细胞提供了更多的脂肪酸之后，细胞开始生长，形状也变成了长长的杆状。细胞变得足够长之后，只需施加一点点剪切应力，它们就会分裂成数十个较小的子细胞。每个子细胞中都含有母细胞中的RNA分子，几乎没有损失任何RNA。并且子细胞长大之后，还会继续生长、重复这一步骤。
　　在后续实验中，朱听和绍斯塔克成功找到了更多让原始细胞分裂的方法。这个问题看似已经被解决了。不过，这些原始细胞的功能仍然不够强大。里斯希望原始细胞能够实现RNA复制，但到目前为止，细胞中的RNA并没有发挥任何作用。为了证明他发明的原始细胞和地球上最先出现的生命相同，绍斯塔克还需要让细胞中的RNA拥有自我复制能力。

绍斯塔克的原始细胞可以在极高的温度下存活
生命分子的行为方式极为复杂
　　这件事做起来可不容易。本文第三章中介绍过，虽然科学家已经努力了数十年，但依然没能合成能够自我复制的RNA。这也是绍斯塔克早年在研究RNA世界学说时备受质疑的一点，但无人能解决这一问题。
　　因此他重新阅读了莱斯利·奥格尔的著作，后者曾在RNA世界学说上下了很大工夫。而就在这些陈旧的文件中，他找到了一些宝贵的线索。
　　说到底其实并不困难。我们需要用到一条RNA链、以及大量游离状态的核苷酸，然后用这些核苷酸组成与之互补的第二条RNA链。例如，如果第一条RNA链为“CGC”，那么与之互补的RNA链就是“GCG”。如果你将这个过程进行两次，就能得到和第一条相同的“CGC”链。
　　奥格尔发现，在特定情况下，RNA链无需酶的帮助、便可按照这种方式进行自我复制。这或许正是早期生命复制基因的方法。
　　1987年，奥格尔已经能够复制由14个核苷酸构成的RNA链了。他的研究到此为止，但绍斯塔克已经从中获得了足够的灵感。他的学生卡塔吉纳·阿达马拉（Katarzyna Adamala）试图在原始细胞中实现这一反应。
　　他们发现，这一反应需要有镁的存在才能进行。但问题是，镁会对原始细胞造成破坏。不过他们用柠檬酸盐轻松解决了这一问题。柠檬酸盐广泛存在于柠檬和柑橘中，几乎所有活细胞中都有它们的踪迹。
　　在2013年的一项研究中，他们向细胞中加入了柠檬酸盐，发现它们会附着在镁的表面，既保护了原始细胞，又能让基因复制过程照常进行。换句话说，他们实现了里斯在1994年提出的预言。仅用了10年多一点的时间，绍斯塔克的团队就取得了了不起的成就。

地球是我们所知的唯一有生命存在的地方。
生命需要多种多样的化学物质。
　　他们制造的原始细胞能够在维持原有基因的同时、从外界吸收有用的分子。这些细胞可以生长和分裂，甚至还会与彼此竞争。细胞内部还能实现RNA复制。从各方面来看，它们都与真正的生命惊人地相似。
　　它们还有着顽强的生命力。2008年，绍斯塔克的团队发现，原始细胞被加热到100摄氏度后仍能存活下来，而大多数现代细胞都经不住这样的高温。这也说明原始细胞与地球上最早出现的生命十分类似，因为在接二连三的陨石撞击下，它们必须能禁得住高温才行。
　　“绍斯塔克取得了伟大的成就。”阿尔曼·穆尔基加尼安表示。绍斯塔克花了四十年时间来研究生命起源的问题。他并没有拘泥于繁殖能力和细胞膜究竟哪个最先出现的问题，而是找到了让这两者几乎同时发生的方法。这促进了生命起源理论的统一：也许所有生命功能都是同时出现的。这种新理论已经积累了大量证据，或能用现有学说解决所有问题。

生命需要多种化学物质才能形成。
　　第六章：统一结论
　　20世纪后半叶，生命起源理论的研究人员分成了几大阵营。每个阵营的科学家都力挺自己支持的理论，同时对其它理论加以诋毁。上一章中介绍的方法无疑是成功的，但每一种看似正确的理论都存在严重的问题。因此，一些研究人员如今希望能对这些理论加以统一。
　　这一观点最初于几年前提出。而人们之所以会提出它，是因为一项乍看上去支持传统的RNA世界学说的研究结论。
　　2009年，RNA世界学说的支持者们遇到了一个严重的问题。他们无法按照早期地球可能采取的方式生成核苷酸。这使得人们怀疑，原始生命根本就不是以RNA为基础的。
　　约翰·萨瑟兰德从上世纪80年代就开始考虑这个问题了。他一直在思考，为什么制造RNA所用的核苷酸会如此困难，并用了多年时间寻求其它解决方案。
　　而他的方案启发他提出了一套激进的新理论：生命的所有关键成分也许是同时形成的。
　　“RNA中的一些关键化学成分就是无法组合到一起。”萨瑟兰德指出。每个RNA核苷酸分子都是由糖类、碱基和磷酸基团构成的。但实验证明，我们无法将糖类与碱基融合到一起，它们的形状并不吻合。
　　因此萨瑟兰德在实验中使用了一些完全不同的物质。最终，他的研究团队共采用五种简单的分子，包括一种不同的糖、还有氨基氰（cyanamide），从名字上就可以看出，这是一种氰化物。该团队让这些物质进行了一系列化学反应，最终制成了四种RNA核苷酸中的两种。
　　这是一次巨大的成功，萨瑟兰德也因此闻名遐迩。很多人认为这一发现进一步证明了RNA世界学说，但萨瑟兰德本人却并不这么看。
　　“经典”的RNA世界学说认为，RNA在原始生命中承担了所有的功能。但萨瑟兰德认为这种可能性很小。他相信RNA起到了重要的作用，但不可能事事都由它解决。
　　相反，他从绍斯塔克的研究中吸取了灵感。本文第五章中介绍过，绍斯塔克将认为复制能力最先出现的RNA世界学说与里斯的“细胞膜先出现”学说结合在了一起。而桑瑟兰德比他更进一步，提出了“所有关键功能同时出现”的理论。他希望能让细胞从零开始、完整地将自己组装起来。
　　他的第一条线索是在核苷酸合成过程中发现的一个奇怪的细节，一开始还被认为视作巧合。
　　萨瑟兰德合成过程的最后一步，是将磷酸基团连接到核苷酸上。但他发现最好一开始就将磷酸基团加入到混合物中，因为这可以加快早期反应速度。
　　乍看上去，在不需要磷酸基团的时候就将其加入混合物中，容易使情况变得混乱棘手，但萨瑟兰德发现，这种混乱的状况反而有利于反应的进行。
　　这让他不由得思考，混合物究竟该达到怎样的混乱程度。在早期地球上，水中肯定糅杂了数百种、甚至数千种不同的化学物质，就像一堆淤泥一样，但这种混乱程度或许也是存在最优水平的。
　　我们在第一章中介绍过史丹利·米勒在上世纪50年代所做的实验，当时他使用的实验材料比萨瑟兰德要混乱复杂得多。其中的确含有一些生物所需的分子，但萨瑟兰德指出，这些分子“含量极少，剩下的是大量其它类型的非生物化合物。”
　　萨瑟兰德认为，这意味着米勒的实验设置还不够理想。他使用的物质成分过于混乱，导致真正有用的化学物质反而被埋没其中。
　　因此萨瑟兰德希望能实现一种折中情况，既不能太杂乱、导致重要物质无法发挥作用，又不能太简单、导致反应受到限制。如果控制好这一程度，生命的几大关键成分或许就可以同时出现了。
　　换句话说，40亿年以前的地球上或许就有这么一个池塘，历经多年变化之后，里面的化学物质刚好达到了特定的混合水平，于是第一个细胞就形成了。
　　这种说法或许难以令人信服，但萨瑟兰德找到的证据越来越多。从2009年至今，他已经证明了用来合成上述两种RNA核苷酸分子的化学物质还可以合成多种生命所需的分子。
　　显然，下一步就是合成更多的RNA核苷酸了。他目前还没能做到这一点，不过在2010年，他合成了一些与核苷酸密切相连的、或许能够转化成核苷酸的分子。
　　2013年，他还设法合成了氨基酸的前体分子。在此次实验中，他加入了氰化铜来帮助反应的进行。
　　萨瑟兰德在实验中多次采用了氰化物，并在2015年对它们展开了进一步研究。他的实验显示，同样的化学物质组成还可以合成脂类前体分子，而脂类正是构成细胞膜的物质。这些反应需要在紫外线光的照射下进行，还需要加入硫和铜来加快反应速度。
　　“细胞的必备组件都可以用成分相同的化学物质来合成。”绍斯塔克指出。
　　如果萨森兰德所言不假，那么过去40年间、人们对生命起源的研究就全都是错误的。自从发现了细胞的复杂结构，科学家就一直假设最初的细胞是逐步形成的，隔段时间出现一种新的成分。
　　萨瑟兰德指出，在莱斯利·奥格尔提出RNA最先出现之后，研究人员就一直在“试图理清不同成分出现的先后顺序”。但他认为，最理想的方法还是让所有细胞成分同时出现。
　　“我们所做的一切，都是对‘让所有成分同时形成太过复杂’这个说法的挑战。”萨瑟兰德说道，“我们当然可以实现这一点。”
　　绍斯塔克怀疑，大多数试图合成生命分子、将它们组合成活细胞的实验之所以均以失败告终，都是因为同一个原因：他们的实验材料太“干净”了。科学家们往往只使用自己感兴趣的化学物质，而不考虑早期地球上可能存在的其它物质。但萨瑟兰德的实验表明，只要向混合物中加入少量其它物质，便能引发更加复杂的化学反应。
　　而绍斯塔克本人在2005年也亲自验证过这一点。他在试图让原始细胞容纳RNA酶的实验中发现，酶需要在镁的帮助下才能发挥作用，但镁会破坏细胞膜。而他的解决方法也十分令人惊讶：在合成囊泡时，用两种脂肪酸的混合物代替单一脂肪酸。这种混合物合成的囊泡可以不被镁所破坏，因此囊泡内部也就可以容纳RNA酶了。
　　不仅如此，绍斯塔克还指出，最初出现的基因也许也是一种混合物。
　　现代生物利用纯DNA来携带基因，但纯DNA刚开始时也许并不存在，而是RNA核苷酸与DNA核苷酸的混合物。
　　2012年，绍斯塔克的研究证明，这样的混合物可以组合成一种“混合分子”，外观和表现都与纯RNA十分相似。这种混合型RNA/DNA链甚至还能折叠成不同的形状。
　　这说明原始生命中是否存在纯DNA或纯RNA并不重要。“我相信最初的聚合物应当很接近RNA，只不过成分比真正的RNA更混杂一些。”绍斯塔克说道。
　　不仅如此，我们在第三章中提到的TNA和PNA等分子也可能曾参与其中。我们还不知道这些物质在地球上是否存在，但如果存在的话，最初的生命也许在利用RNA分子的同时，也给它们留出了一些空间。
　　这已经不仅仅是RNA世界学说了，而是“大杂烩”世界学说。

地球形成初期常常遭到陨石撞击。
也许生命最早是在浅海中形成的。
温泉也许正是生命的起源之处。
　　这些研究说明，第一个细胞的合成过程也许并不像我们一度以为的那样困难。细胞确实精密复杂，但如果简化程序、草草组装了事，即使功能不那么完善，原始细胞照样能够正常运作。
　　这样粗糙的细胞似乎不可能在早期地球上存活下去，但当时它们面临的竞争并不激烈，也没有对它们造成威胁的天敌，因此从某些方面来看，那时的生命或许反而比现在轻松得多。
　　但还有一个萨瑟兰德和绍斯塔克均未解决的关键问题：最初的生物必须拥有某种形式的新陈代谢体系。毕竟，生命如果无法获取能量，就必死无疑。
　　在这个问题上，萨瑟兰德赞同迈克·拉塞尔、比尔·马丁、以及第四章中其它“新陈代谢论”支持者的观点。“RNA世界学说和新陈代谢论都有道理，”绍斯塔克指出，“我们必须解决新陈代谢的起源问题，化学能的来源非常关键。”
　　虽然马丁和拉塞尔有关海底热泉的学说是错误的，但他们理论中的许多方面却十分正确，其中之一就是金属对生命起源具有重大的影响。
　　自然界中的许多酶都含有金属原子，这通常是酶中的“活性”成分，其它成分只不过起到了支持作用而已。但最初的生命不可能含有如此复杂的酶，因此它们也许会采用“赤裸裸”的金属作为催化剂。
　　冈特·瓦施特肖塞此前就曾提出过，生命最初是在黄铁矿上形成的。拉塞尔也曾强调称，热泉的水中富含金属元素，可以起到催化剂的作用。马丁在对“最后的共同祖先”生物的研究中更是发现了大量含铁的酶。
　　此外，萨瑟兰德的化学反应需要依赖铜才能进行，绍斯塔克的原始细胞中的RNA也需要镁才能发挥功能。
　　这样看来，热泉或许真的起到了至关重要的作用。“现代生物的新陈代谢体系中确实存在铁硫簇这样的物质，说明生命最初有可能是在热泉中、或热泉周围形成的，因为热泉的水中富含铁和硫。”
　　因此，如果萨瑟兰德和绍斯塔克的想法正确的话，热泉理论的一个关键论点就是完全错误的：生命不可能起源于深海之中。
　　“我们研究出的化学反应过程高度依赖于紫外线的照射。”萨瑟兰德指出。而阳光是紫外线的唯一来源，因此这些反应必须在阳光下才能进行。“这就排除了生命在深海中形成的可能性。”
　　绍斯塔克也认为深海并非生命起源之地。“最糟糕的一点是，深海与大气层中的化学物质完全隔绝了开来，而大气层中有大量氰化物这样的高能催化物质。”
　　不过，这些问题并没有完全排除热泉理论的可能性。也许这些热泉所处的水域较浅，能够接受阳光的照射，也能接触到大气中的氰化物。

　　阿尔曼·穆尔基加尼安则提出了另一种理论：也许生命最初是在陆地上的某个火山池塘中形成的。
　　穆尔基加尼安研究了细胞的化学成分，着重观察了哪些化学物质可以被细胞吸收、哪些则会被坚决排除在外。结果发现，无论来自于哪种生物，细胞中都含有大量的磷酸盐、钾和其它金属元素，但几乎没有钠的存在。
　　现代细胞可以控制化学物质的进出，但原始细胞肯定做不到这一点，因为它们缺乏必要的细胞器。因此穆尔基加尼安认为，原始细胞形成之处所含的化学物质成分也许和现代细胞的成分差不多。
　　这样一来，海洋立刻就被排除在外了。细胞中的钾和磷酸盐含量比海洋中高得多，钠的含量则比海洋中少得多。相反，靠近活火山的地热池更有可能是生命起源的地方。这些池塘中的金属成分刚好与细胞相吻合。绍斯塔克也支持这一观点。“我最倾向于生命是在陆地上某个地热活动较为活跃的浅水池塘中形成的，”他说道，“这些热泉并不是海底热泉，而是类似于黄石公园的火山热泉。”
　　萨瑟兰德提出的化学反应在这种地方很有可能发生。这里的化学成分恰好满足条件，水位线时高时低、因此有些地方偶尔会干涸，还能接收到足够的紫外线照射。
　　并且绍斯塔克还表示，这样的池塘很适合他的原始细胞生存。“原始细胞的温度在多数时间里都比较低，利于RNA复制和其它简单新陈代谢活动的进行，”绍斯塔克指出，“但它们的温度偶尔也会短暂升高，帮助RNA链为下一轮复制做好准备。”此外，热水带动的水流还能帮助原始细胞分裂。而萨瑟兰德在研究了这些理论之后，又提出了第三种观点：生命最初可能是在陨石撞击处形成的。

DNA由许多相似的核苷酸分子构成
　　地球在形成后的头五亿年间，常常遭到陨石的撞击，但此后频率便大大下降。如果撞击规模刚好合适，也许便能创造出与穆尔基加尼安假设的池塘相似的环境。
　　首先，陨石的主要成分是铁。受到陨石撞击的区域往往含有大量的铁和硫。并且，陨石撞击会使地壳融化，导致了地热活动和热水的产生。
　　萨瑟兰德想象，小溪从撞击坑的斜坡上缓缓流下，将岩石中的氰化物溶解在水中，同时接受着来自上方的紫外线照射。每道水流中的化学成分都稍有不同，因此会发生不同的化学反应、产生不同的有机化合物。
　　最终，这些水流汇入了撞击坑底部的火山池塘中，所有物质聚集到了一处，第一个原始细胞就这样诞生了。“这是一种非常特殊的情况。”萨瑟兰德表示。但他是在自己发现的化学反应的基础上进行猜测的，“这是唯一能说得通的方法。”绍斯塔克并不确定两种说法中哪种才是对的，但他认为萨瑟兰德的理论更值得重视。
　　目前争论仍在继续，短期内依然难下定论。两种假设都需要从化学反应和原始细胞两个方面进行评判，如果哪种假设少了一种关键的化学元素、或是含有某种会破坏细胞的物质，就会立刻出局。
　　这也意味着在人类历史上，我们即将首次解开生命起源这个未解之谜。
　　迄今为止，绍斯塔克和萨瑟兰德提出的“所有成分共同出现”的理论仅仅是进行了一番大致的描述，但其中的每一步都得到了数十年来的实验证据支持。
　　该理论对每一种生命起源学说都进行了借鉴，在博取百家之长的同时，努力解决这些理论存在的问题。

这些发现改变了我们看待世界的方式
　　40亿年前究竟发生了什么，我们将永远不得而知。我们只能努力提出一种符合所有证据的理论。这些证据来自于一系列化学实验、来自于我们对40亿年前地球环境的了解、以及对最早的生命形式的了解。最终，在长达一个世纪的不懈努力之后，这样的理论终于开始逐渐成型。
　　这意味着，我们正在接近人类历史上的一道重要分水岭。这道分水岭之后的人都将知道生命起源的真相，而在此之前的人则对此毫不知情。
　　在达尔文于1859年发表《物种起源》之前去世的人就不了解人类从何而来，因为他们根本没听过进化论的概念。但如今每个在世的人都知道，我们和其它动物其实是近亲。
　　而如果你出生在尤里·加加林1961年进入太空之后，你就会知道，人类是可以前往其它星球的。就算我们不能亲身体验，也都知道太空旅行已经成为了现实。
　　这些事实都在逐渐改变着我们的世界观，并增加了我们的智慧（这一点还有待商榷）。进化论让我们学会了珍稀其它生命，因为它们都是我们的近亲。太空旅行则给了我们从远处欣赏地球的机会，让我们了解到这个世界是多么独特而脆弱。
　　如今在世的人中，有一部分将成为历史上首批真正理解了生命起源的人。他们将会知道自己最古老的祖先长什么样子、生活在什么地方。
　　这些知识将为我们带来巨大的改变。单从科学层面来看，它将帮助我们了解生命在宇宙中是如何形成的、以及生命可能存在于哪些地方。它还将让我们更好地理解生命的本质。但除此之外，我们尚不清楚生命起源将为我们揭露怎样的真相。