▲一个完整的活细胞
▲细胞的结构极为复杂。
▲生命之树的大部分分支都是细菌
▲达尔文提出所有生命都是由同一个祖先演化而来的
生命究竟是如何开始的？世界上大概没有比这个更难回答的问题了。在人类历史中的大部分时间里，几乎所有人都相信“这是上帝的作品”。其它任何解释都难以令人信服。
但如今的情况已经不复当初了。在上个世纪中，几名科学家对生命的起源展开了研究。他们甚至尝试着在实验室中模拟了这个过程，想要凭空创造出新的生命。目前为止，还没有人能做到这一点，但我们已经取得了一定的成就。如今，很多研究生命起源的科学家都相信自己已经走上了正轨，并通过各种实验证明了自己的想法。
这是一个伟大的故事，记录了我们对生命起源的不懈追寻，记录了人类在此过程中表现出的痴迷、拼搏和杰出的创造力。为了了解生命的起源，科学家们不惜前往地球上最偏远的角落。有些科学家甚至被污蔑为怪兽，还有些人不得不在极权政府的统治下冒险行事。
这是一个与地球上的生命起源有关的故事。
生命的存在由来已久。恐龙大概是已经灭绝的生物中最出名的一种了，它们大约出现于2.5亿年前。但生命的起源还可以追溯到更久之前。目前已知的最古老的化石大约是35亿年前形成的，年龄约为最古老的恐龙的14倍。但地球上或许还存在更古老的化石记录。例如，2016年8月，研究人员发现了一些类似微生物化石的痕迹，形成时间约为37亿年前。而地球是45亿年前形成的，年龄也并不比这些化石长多少。
如果我们假设生命最初是在地球上形成的——由于我们目前还未在宇宙中的其它星球上发现过生命，这是很有可能的——那么这些生命肯定是在地球形成后、到已知最古老的化石形成之间的几亿年间出现的。除了判断生命最初出现的时间之外，我们还想知道最初的生命究竟是什么形式。
19世纪，生物学家发现一切生物都是由“细胞”构成的，细胞就像一个个微型的小包裹，大小不同，形状各异。其实，最早在17世纪、第一台现代显微镜被发明之后，人们就发现了细胞，但直到一个世纪之后，才有人意识到，细胞是生命的基本组成部分。
你和霸王龙看上去确实一点也不像，但在显微镜下可以看到，你们其实都是由外观相似的细胞构成的，植物和真菌也是如此。不过到目前为止，种类最多的生命形式还是微生物，它们都属于单细胞生命。其中最出名的当属细菌了，地球上每个地方都有它们的身影。
2016年4月，科学家公布了“生命树”的最新版本，其中包含了每一种现存的生物。而在这棵“树”上，几乎每一根分支都是细菌。此外，生命树的形状还说明，细菌是所有生物的共同祖先。换句话说，地球上的每一种生命（包括你自己在内）最初都是由细菌演化而来的。这就意味着，我们可以更加有的放矢地研究生命的起源问题了。我们需要利用地球上35亿年前拥有的材料和环境条件，造出一枚细胞来。
那么，这件事究竟有多困难呢？
▲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。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尤里，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。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。
▲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。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。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 W?chtersh?user）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。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。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。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。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。一切生物都由细胞组成。
▲细胞的形成过程仍不得而知。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。几乎所有生命都是单细胞生命。
文/叶子
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