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。

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。