大量的文字如泉涌一般从查尔斯·达尔文(Charles Darwin)的笔下流淌出来。他的著作涵盖范围广泛，从附着船底的甲壳动物到兰花，从地质学到动物驯化。同时，他把自己沉思默想的东西都写在了笔记上，此外还有随意写下的几千封信，写的是对自然的观察和推测。然而，在达尔文浩如烟海的文字记述中，只有很少一部分触及到生物学中最大的问题之一：生命是如何开始的。

 

　　在《物种起源》结尾部分，达尔文写道：“或许在地球上曾经生活过的所有有机体都起源于一种原始的形态，这个原始的形态发展成首次可进行呼吸的生命。”

 

　　达尔文认为，生命可能是自发地从组成它的化学物质中出现的，如碳、氮和磷。但是，他没有把这些沉思的东西发表出来。这位英国博物学家形成了他自己的进化观点――一生中都在观察周围的事物。达尔文认为，在他生活的那个时代，不可能明白生命是如何起源的，那是因为现存的生命将阻碍生命起源真相的发现。

 

　　1871年，达尔文将这个问题概括后给他的朋友、植物学家约瑟夫·虎克(Joseph Hooker，英国著名植物学家)写了一封信。信中写道：“但是如果(哦，这是多大的一个‘如果’！)我们能设想一下，在一个温暖的小池塘里，有各种铵盐和磷酸盐、光、热、电等，利用化学反应，一个蛋白质化合物形成了，它随时都可经历更加复杂的变化。如果是今天，这种物质会立即被吞食或吸收掉，但在生物体形成之前，这种情况将不会发生。”

 

 

　　今天，研究生命起源的科学家们不必再怀着达尔文的悲观情愫了，我们已有能力重建地球早期的情景。英国曼彻斯特大学的化学家约翰·萨瑟兰(John Sutherland)说：“现在是从事这项研究的好时候，因为成功的希望比以往都要大。”他和其同事正在探索向生命进化中的每一个步骤：原物质来自哪里，复杂的有机分子(如RNA)是如何形成的以及第一批细胞是怎么出现的等。就这样，他们在探索生命演进的道路上缓慢前行。“当我读研究生时，人们认为研究生命的起源是老科学家在他们职业生涯的尾声所做的事情，那时他们可以坐在扶手椅上沉思”华盛顿卡内基研究所的亨德森·J·克里弗斯(Henderson J Cleaves)说，“现在制造人工细胞听起来不再像是科幻小说了，而是一项理性的工作。”

 

　　生命――或至少我们认为的生命――似乎只在地球上出现过一次。几乎所有的生物体都用双链DNA来编码遗传信息。它们把基因复制到RNA，再把RNA转录成蛋白质。生物体用于把DNA最终转变为蛋白质的遗传密码是相同的，不管它是食火鸟(学名鸸鹋，特产于澳大利亚，是澳大利亚的国鸟――译者注)还是面包霉菌。对此现象的最简单解释是，所有的生物体都从一个共同的祖先――即35亿年前携带DNA遗传物质的微生物――继承了这套遗传密码。那个共同的祖先已经是相当复杂了，很多科学家都想知道它是怎样从一个更简单的祖先进化来的。一些科学家现在争论说，只含有RNA的膜结合细胞，要比既含有DNA又有蛋白质的细胞出现得早。在以后的进化中，以RNA为基础的生命具备了将氨基酸组装成蛋白质的能力。从生物化学的角度来讲，从RNA到DNA是进化历程中的一小步。

 

　　在现代细胞中，RNA可谓是“多才多艺”。例如，RNA能“感觉到”细胞内各种化合物的水平，并开启或关闭一些基因来调节这些物质的浓度。它还能把氨基酸连接在一起，而氨基酸是构成蛋白质的基本单位。因此，地球上出现的第一批细胞可能就选择了RNA来维系生命。

 

　　60年来，研究人员一直在完善有关氨基酸和RNA基本成分来源的理论。随着时间的推移，他们的想法日臻成熟，对早期地球面貌的理解也越来越清楚。

 

　　1953年，芝加哥大学的斯坦利·米勒(Stanley Miller)做了一个著名的实验：在一个密封的容器里，充满了氨气、甲烷和其他气体，然后释放火花。实验结束后，容器里产生了一些富含氨基酸的粘性物质。根据这个实验结果，米勒推测早期地球上的闪电能够制造出许多化合物，这些化合物后来演化为成地球万物。

 

　　不过，到了20世纪90年代，有证据表明早期地球被二氧化碳所笼罩，还有少量的氮气――米勒的实验容器中并没有这两种气体。于是，科学家们在混合气体中加入了二氧化碳，重复了米勒的实验，但是几乎没有生成氨基酸。他们推断，产生生命的原物质应该来自别的途径。

 

　　但是，2008年的实验再次看到了希望。克里弗斯和他的同事怀疑，实验失败是由于设计缺陷导致的，放电可能产生了破坏氨基酸形成的含氮化合物。他们在实验中增加了能吸收这些含氮化合物的缓冲试剂，结果产生的氨基酸比科学家原先得到的多几百倍。

 

　　克里弗斯猜想，闪电是早期地球生成有机化合物的唯一途径。落到地球上的陨石也含有氨基酸和有机碳分子，如甲醛。早期地球上的热液喷口喷出了形成地球上首批生命形式的其他化合物。因此，产生生命的原物质不再是一个争论点。他说：“真正的障碍在于，你如何把这些有机物组合在一起，形成一个生命系统。”

 

　　步骤1：制造RNA

 

　　RNA分子是一条由彼此连接的核苷酸组成的链。每个核苷酸分子由3部分组成：碱基(在基因“天书”中，碱基起“字母”的作用)、糖分子和磷酸(磷酸与下一个核苷酸的糖分子连接在一起)。多年以来，研究人员通过制造糖分子和碱基，试图把二者连在一起，然后再加入磷酸盐来合成RNA，但结果是徒劳的。“合成出来的RNA不起作用。”萨瑟兰说。

 

　　失败促使科学家思考有关RNA如何形成的另外两种假设。克里弗斯和其他研究者认为，基于RNA的生命可能由源自不同遗传物质的有机体进化而来，而这种“不同的遗传物质”在自然界已无法找到。目前化学家已能够用其他化合物来构建核苷酸骨架。他们正在研究被称为“PNA”和“TNA”的人造遗传分子，是否能比RNA更容易出现在早期地球上。根据这一假设，后来演化而来的RNA取代了早期的遗传分子。

 

　　但是，也可能会出现RNA无法按照科学家预想的方式合成出来。萨瑟兰和同事们一直致力于用简单的有机分子来构建RNA，比如早于生命出现的甲醛。他们取得了较好的进展，把糖的成份和碱基的成份结合在一起制造RNA，而不是先分别制造出完整的糖分子和碱基。

 

　　在过去的几年里，他们已经记录了从前生命分子到RNA几乎一条完整的路线，现正准备发表更多的实验细节。根据所发现的这些新反应萨瑟兰猜测，RNA直接从早期地球表面的有机溶液中产生，并非一件难事。“我们已实实在在地得到了这些分子。”他说。

 

　　萨瑟兰还不能确切地说出这些反应发生在早期地球的什么地方。不过他指出，在当时(地球早期)的温度和由池塘测出的pH值条件下，这些化合反应运行良好。如果那些池塘暂时干涸，使得核苷酸浓缩，将为生命出现创造了更有利的条件。

 

　　这些难道就是达尔文所说的温暖的小池塘？“有可能达尔文的想法并不离谱。”萨瑟兰说。

 

　　步骤2：细胞

 

　　如果生命的确是从RNA开始的，那么RNA将需要在不依靠蛋白质的情况下自我复制。加州圣地亚哥斯克利普斯研究所的特蕾西·林肯(Tracey Lincoln)和吉罗德·乔伊斯(Gerald Joyce)的实验已表明，这种情形是如何实现的。他们设计了一对RNA分子，相互连接在一起，靠核苷酸松散地配对彼此聚集。一旦RNA自我复制完成，旧的RNA分子和新的RNA分子就会彼此分开，分别与新的RNA连接在一起，形成一对新的RNA分子。经过30个小时，林肯和乔伊斯发现，RNA分子的数量能增加1亿倍！

 

　　林肯和乔伊斯的实验是在烧杯中进行的。但是，在早期地球上，RNA复制可能是在第一批细胞中进行的。位于波士顿的哈佛医学院的杰克·佐斯塔克(Jack Szostak)及其同事一直在研究早期地球上脂肪酸和其他分子是如何捕获RNA，产生第一批原始细胞的。“我们的目标是，只用化学的方法获得能够自我复制的东西。”佐斯塔克说。

 

　　20年后，佐斯塔克及其同事获得了能复制其他较短RNA分子的RNA分子。他们以某种特定的方式将RNA和脂肪酸混合在一起，RNA就可以被捕获进囊泡中。这些囊泡使脂肪酸与其薄膜相融合。2008年7月，佐斯塔克称，他已明白原始细胞是怎样“进食”的，以及如何引入核苷酸来制造RNA的。

 

　　所有的活细胞都有复杂的通道以使核苷酸穿过其膜，这就产生了一个问题，即原始的细胞膜是如何引入这些分子的？运用各种不同的配膜进行实验，佐斯塔克及其同事发现原始细胞有较大的漏隙，足以让核甘酸“滑”进去；在原始细胞里，这些核苷酸能演化为RNA，但是较大的RNA分子无法滑出细胞，因为漏隙太小。

 

　　他们的实验还显示，这些囊泡能够经受住100°C的温差变化。高温下，原始细胞会快速吸收核苷酸；低温下，佐斯塔克发现，它们能更快地制造RNA分子。

 

　　佐斯塔克推测，有规律的温度循环有助于简单的原始细胞在早期地球上存活。当温度稍高时，它们能吸入核苷酸；当温度降低时，它们就用核苷酸制造RNA。佐斯塔克实验的原始细胞中，核苷酸沿着RNA的一个模板排列，低温时RNA的两条链倾向于粘在一起；当原始细胞再次升温时，高温可能导致RNA的两条链拆开，这样就能使新的RNA分子起作用了。

 

　　目前，佐斯塔克正继续着这一实验，以使原始细胞更接近生命。他正在探索新形式的RNA分子，便于更快地复制较长RNA分子。对他来说，实验的真正考验在于原始细胞不仅能否生长和繁殖，而且还能进化。

 

　　“对我来讲，生命的起源和达尔文进化的起源本质上是同一件事。”佐斯塔克说。如果达尔文今天还活着，他很可能也愿意写更多关于生命是如何开始的著作。