生命的源头

非凡的发现总会催生特别的举动。詹姆斯·沃森（James Watson）曾谈到，他和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）发现DNA结构之后，“克里克立马冲进老鹰酒吧（Eagle Pub），告诉在场的每一个人，我们揭开了生命之谜”。当然，DNA分子的双螺旋结构太优美了，克里克再怎么激动都不算过分。大自然用4种碱基编写的遗传语言，恰到好处地存储在DNA上，并一代一代传递下去。

遗传信息储存在两条互补的DNA长链中，知道一条链的碱基组成，就能推断出另一条链的组成。这样的安排向人们暗示了一种精密的复制机理：复制时，相互缠绕的两条DNA链彼此分离，携带碱基的DNA模块（即核苷酸）分别沿着一条DNA链依次排列，相互连接起来。就这样，一个双螺旋结构最终变成了两个，每一个复制品都与原始模板一模一样。

在DNA双螺旋结构的启发下，科学家解答了一系列关于细胞如何发挥功能的问题，这些认识也激发了人们对生命起源的思索。对于生命的定义，人们提出了很多种说法，1946年诺贝尔生理学或医学奖得主穆勒（H. J. Muller）曾经写道，基因是“一种生命物质，是最初生命形式在现代生物中的体现”，而卡尔·萨根（Carl Sagan）则将“最初的生命”设想为“裸露于低浓度有机物溶液中的、自由的原始基因”（这里提到的“有机物”，是指含有束缚碳原子的化合物，既包括生物体内的碳化合物，也包括与生物体无关的碳化合物）。穆勒与NASA（美国航空航天局）对生命的定义最为相似：生命体是一个自给自足、能够进行达尔文式进化的化学系统。

著名科学家理查德·道金斯（Richard Dawkins）在著作《自私的基因》（The Selfish Gene）中，详细描述了最初的生命体：“在某一时刻，一个非同寻常的分子偶然形成，我们叫它复制因子（replicator）。与周围的分子相比，它也许不算最大或最复杂，却具有一种非凡的能力，那就是自我复制。”道金斯写下这番话是在30年前，当时，DNA被认为是最有可能扮演这个角色的候选分子，后来，又有研究人员提出了其他可能作为复制因子的分子。但我和其他一些科学家却认为，这个“复制因子起源说”存在根本性的漏洞，我们更愿意将赞成票投给另一种看起来更合理的假说。
生命起源于RNA？
科学家认定生命起源于RNA，因为它能独力执行今天的RNA、DNA和蛋白质共同承担的人物。然而，这个观点却又一个明显的漏洞……

DNA起源学说刚一提出，质疑就接踵而至。DNA复制需要多种蛋白质的协助才能完成，而在化学组成上，蛋白质与DNA是两种截然不同的大分子。虽然它们都是多个单元组成的长链分子，但DNA由核苷酸组成，蛋白质的基本单元则是氨基酸。蛋白质是细胞内的“勤杂工”，其中，酶是人们最为熟悉的蛋白质，它们能加速生化反应的进行。假如没有酶，生化反应的速度将变得非常缓慢，从而无法发挥应有的作用。另一方面，细胞需要的蛋白质又是根据DNA携带的信息合成出来的。

DNA与蛋白质的关系会让人想起一个古老的谜题：先有鸡还是先有蛋？DNA携带着合成蛋白质的指令，但如果没有蛋白质的协助，生物又无法读取和复制这些指令。那么，到底谁先出现，DNA（鸡）还是蛋白质（蛋）？

当人们把注意力转向第3种大分子——RNA时，答案似乎清晰了。RNA具有多种功能，它和DNA一样，都由核苷酸构成，但在细胞中扮演着多种角色。一些RNA能将遗传信息从DNA传递到核糖体（细胞内合成蛋白质的结构，它的主要成分是蛋白质和一种RNA）；在执行不同任务时，RNA既可形成DNA那样的双螺旋结构，也能呈现蛋白质那样的单链折叠结构。

20世纪80年代初，科学家发现了核酶（ribozyme）。核酶由RNA构成，却具有酶蛋白的功能。“鸡与蛋”这个千古谜题似乎水落石出：生命起源于第一个能够自我复制的RNA分子。1986年，在一篇发表于《自然》杂志的原创论文中，1980年诺贝尔化学奖得主沃尔特·吉尔伯特（Walter Gilbert）写道：“我们可以设想一个RNA世界：在这个世界中，只存在能够催化自身合成的RNA分子……当RNA开始催化核苷酸合成新的RNA时，进化的第一步便启动了。”第一个能够自我复制的RNA分子产生于非生命物质，当初它独力执行的多种功能，现在则由RNA、DNA和蛋白质共同承担。

在进化过程中，RNA先于蛋白质和DNA出现的设想，得到了许多证据的支持。在酶的催化反应中，很多名为辅助因子（co-factor）的小分子发挥着重要作用，它们通常会携带一个没有明显功能的RNA核苷酸。这样的结构被认为是“分子化石”，也就是远古时代留下的遗迹。当时，世界上还没有DNA和蛋白质，RNA掌控着整个生物化学世界。

然而，根据上述以及其他一些线索，我们只知道RNA先于DNA及蛋白质出现，对于生命到底如何起源，还是一无所知。因为在RNA世界之前，也许还有其他生命形式主宰过世界。很多科学家用“RNA世界”笼统地概括了两种观点，很容易让人混淆。在这里，我用“RNA起源说”指代那些认为生命起源于RNA的观点，以便区别于另一种观点：RNA只是一种先于DNA和蛋白质出现的分子。
“RNA”的漏洞
结构越复杂，在原始条件下自发形成的几率也就越低。与只含有几个原子的小分子相比，RNA显然是太大了。

RNA起源说存在一个难以弥补的漏洞：第一个能够自我复制的RNA分子是怎样产生的？吉尔伯特的假说认为，RNA产生于一锅无生命的“核苷酸汤”，这一点很难自圆其说。

RNA的组成单元——核苷酸是一种复杂的有机分子。每个核苷酸含有一个糖基、一个磷酸基以及4种含氮碱基中的一个。因此，每个RNA核苷酸就含有9~10个碳原子、多个氮氧原子以及一个磷酸基团，所有原子彼此相连，形成一个精确的立体结构。这些原子可以有多种连接模式，从而形成数千种可能的核苷酸。理论上，这些核苷酸应该可以取代现有的4种RNA核苷酸，但事实上，它们从未在RNA的结构中出现过。同时，与几十万乃至数百万种稳定的、大小相似的非核苷酸有机分子相比，形成RNA核苷酸的可能性就更显得微乎其微了。

尽管如此，有一种观点认为，适当的核苷酸最终还是形成了。这种观点的产生与一个著名的实验有关。1953年，斯坦利·L·米勒（Stanley L. Miller）发表文章说，为了模拟早期地球的大气环境，他简单地配置了气体混合物，并施以火花放电。在检查实验结果时，米勒兴奋地发现了氨基酸的存在。1969年，一颗陨石（默奇森陨石，Murchison meteorite）坠落在澳大利亚，科学家在陨石上也发现了氨基酸。显然，对于组成生命的成分，大自然的供给是十分慷慨的。根据这些研究结果，一些论文的作者推断，所有的生命组分都能够轻易地在米勒式的实验中形成，也能在陨石中找到。

但事实并非如此。在米勒实验中生成的氨基酸，结构远不及核苷酸复杂。氨基酸的结构特征是，一个氨基（－NH2）和一个羧基（－COOH）连接在同一个碳原子上。在组成蛋白质的20种天然氨基酸中，最简单的氨基酸含有两个碳原子，但大部分氨基酸的碳原子都有6个左右。在米勒实验中，所生成的氨基酸及其他物质，大部分只含两三个碳原子。显而易见，在自然界中，含有较少碳原子的分子更容易形成。到目前为止，还没有任何报道显示，在火花放电实验中有核苷酸生成，或在陨石中发现核苷酸。看来，自然界并未对核苷酸表现出特别的偏好，而为它的生成提供便利，尽管它是生命所必需的。

为了弥补RNA起源说的致命缺陷，支持者创立了一门新的学科——“前生物合成”（prebiotic synthesis）。他们试图证明，在实验室中，利用相关条件和起始材料，通过一系列精准控制的反应，能够制备出RNA及核苷酸。

我深入研究了前生物合成。对于其中存在的问题，我们可以通过以下的比喻来说明。一个高尔夫球员依次将球打进18个洞以后，球穿越了整个球场。然后他提出假设：我不击球，它也能够自己穿越球场。他解释了这种情形发生的可能性：只要时间允许，在某些自然力（例如地震、风以及洪水）的作用下，高尔夫球也能进洞、穿越球场。RNA的自发形成与此类似，不需要违反任何物理规律，然而，阻碍RNA形成的几率却是无限大。

一些化学家提出，一种与RNA类似、但更简单的复制因子首先形成，统治着RNA之前的世界，而且第一个复制因子可能具有RNA的催化能力。但到目前为止，生物学家都没有发现假想中的原始复制因子以及催化分子，因此，RNA的所有功能，肯定是在RNA形成之后才完全拥有的。

此外，不论是核苷酸还是更简单的有机分子，即使各种生命组件都在地球上存在过，它们也很难自发组装成复制因子。在这种情况下，有无合适的条件形成生命组件就显得无关紧要了。让我们假设一下，在有利条件下，生命组件以某种方式组装起来。但与此同时，一大堆有“瑕疵”的组件也会组装进去，这样形成的长链分子必然无法发挥复制因子的功能。举例来说，组件上最简单的“瑕疵”，可能是缺少一条用来连接其他组件的“胳膊”——如果分子链要继续延长，每一个组件都得有两条“胳膊”才行。

自然界是公平的，从理论上讲，各种组件会随机结合，产生多种多样的短链分子，具有统一几何骨架、拥有自我复制及催化功能的长链分子则很难形成。长链分子的生成几率是如此之低，以至于在世界任何地方，生成任何一个长链分子，都可能是受到了上天的特别眷顾。