作为40亿年朝圣之旅的目的地，我们的坎特伯雷笼罩着一层神秘的面纱。这是生命起源的奇点，不过我们更应该称之为“遗传”（heredity）的起源。生命本身并未被清楚地界定，这个事实与直觉和传统智慧相矛盾。在《圣经·以西结书》的第37章，先知遵命走进遗骸之谷，去辨识尚有呼吸的生命。我不禁要引用这一段话（“骨与骨相连”——多么简洁的用语）：
于是，我遵命说预言。正说预言的时候，出现了响声和躁动，骨头都汇聚到一处，骨与骨相连。
我在一旁观瞧，见骸骨上有筋，也长了肉，又有皮遮蔽其上，只是还没有气息。
主对我说：“人子阿，你要发预言，向风发预言，说主耶和华如此说：气息阿，要从四方而来，吹在这些被杀的人身上，使他们活过来。”
当然，风从四方而来。一支带有生气的庞大军队站立了起来。在《圣经·以西结书》中，呼吸是生死的界限。达尔文在《物种起源》的结语中也有同样的暗示：
因此，从自然界的战争里，从饥饿和死亡里，我们所能体会的最尊贵的事物，便是高等生物的诞生。从这个角度看去，生命如此庄严，造物主最初将生命的气息吹入了一种或几种生命的构造；当这个星球遵从万有引力定律而运转时，生命从一个简单却充满无限可能的起点不断进化形成如此多的美丽而精彩的形式，并且还在继续进化中。
达尔文恰当地矫正了《圣经·以西结书》中的事件顺序。生命的气息先出现，然后才创造出筋骨和皮肉进化的条件。顺便提一下，“造物主”这个词在《物种起源》第一版中并未出现。可能是出于对宗教游说的妥协，达尔文在第二版中加入了该词。达尔文后来在写给他的朋友虎克（Hooker）的信中表示了懊悔：
我长久地懊悔自己为了迎合公众的观点而使用了《摩西五经》中的“创造”，尽管我本意是指一种通过完全未知的过程而“出现”。目前物种起源还只是毫无意义的一种想法，有人可能会联想到物质起源。
达尔文可能（在我看来是“正确地”）认为原始生命的起源是一个相对（我特别强调这一点）容易的问题，他解决的那个问题才更加复杂：生命一旦诞生之后，又是如何发展出令人称奇的多样性、复杂性以及令人浮想联翩的精巧设计。尽管如此，达尔文之后（在另一封给虎克的信中）还是大胆猜想了这个开启了一切的“完全未知的过程”。为何我们没有看到生命起源不断发生，这个问题引导他做出一些猜想：
人们常说，最初生命个体诞生所需的条件现在仍然具备，并且一直都具备。但是如果（哇，多么大的一个“如果”）我们设想一下，在某个存在各种氨盐和磷酸盐以及光、热、电等物质的温暖的小池塘中，诞生了一个准备着承受更多复杂改变的蛋白复合物。在今天的条件下，它一形成就会立刻被其他生命吸收掉，而这种情况在生命诞生之前则不会发生。
生命的自然发生观受到挑战要等到后来巴斯德的实验。长久以来，人们相信腐肉里会自动长出蛆虫，鹅颈藤壶会自动孵出小鹅，甚至麦子与脏衣物在一起会生出老鼠。教会一直倔强地支持“自然发生”学说（他们在这一点及其他很多方面都紧跟亚里士多德）。我说他们“倔强”，是因为就算是事后诸葛亮也能发现，“自然发生”学说与进化论一样是对神创论的直接挑战。这种认为苍蝇或老鼠能够自发产生的观点，大大低估了创造苍蝇或老鼠的惊人成就：这是对一个可能具有思想的造物主的冒犯。毫无科学理念的大脑无法理解一只苍蝇或老鼠是如何复杂以及多么不可思议。达尔文可能是第一个全面认识到这个错误的人。
直到1872年，在给自然选择学说的共同发现者华莱士的信中，达尔文还质疑了他非常欣赏的《生命的开始》（The Beginnings of Life）一书中关于“轮虫和水熊虫是自发形成”的观点。他的质疑一如既往地直中要害。轮虫和水熊虫都是复杂的生命形态，完美地适应了各自的生活方式。如果它们是自发形成的，则意味着它们对环境的适应及复杂形态都是“由一个愉快的意外造成的，而我难以相信这一点”。这种程度的意外事件，对达尔文是一种诅咒，而从另一个不同的角度来说也应该是对教会的诅咒。达尔文学说的整个逻辑，一贯认为具有适应性的复杂个体是一步一步缓慢而渐进地发展而来的，没有任何一步需要依赖盲目的偶然性作为解释。达尔文理论给经受选择的小步变异赋予了发生的机会，为生命的解释提供了唯一可撇开纯粹运气的现实解释。如果轮虫可以突然有无到有地出现，那达尔文的毕生工作就没有意义了。
但是自然选择本身也需要一个开始。从这个意义上来说，一定曾经有过某种“自发产生”事件发生过，即便只有一次。达尔文贡献的美妙之处在于，我们必须假定存在的这次“自发产生”并不需要合成复杂的东西，比如蛆虫或者老鼠。它只需要制造一些……嗯，现在我们接近问题的核心了。如果不是生命的气息，那是什么至关重要的成分能够首先启动自然选择并历经大量积累的演变后，进化出蛆虫、老鼠和人类呢？
在我们古老的坎特伯雷，相关细节还深埋地底，也许永远不能被发现，但我们可以给这个关键成分起一个简单的名字来描述这个久远的存在。这个名字就是遗传（heredity）。我们应该找的不是模糊不清的生命的起源，而应该是遗传的起源——真正的遗传意味着某种很精确的东西。我曾经借助火种来解释过它。
火与气息争相成为生命的象征。当我们死去，生命之火熄灭。当我们的祖先第一次驯服火时，可能认为火是一种活物，甚至是神。当他们凝视火焰或灰烬时，尤其是在营火温暖并保护着他们的夜晚，他们会想象在与一个神采奕奕的、舞蹈着的精灵交流吗？火可以永不熄灭，只要不断供应燃料。火呼吸着空气；你可以切断氧气供应将之闷熄，也可以用水浇灭。野火吞噬森林，驱赶着动物玩命奔跑，如同有凶残的狼群追逐一般。如同将狼驯服成狗那样，我们的祖先捕获了火种并驯服它，时常喂养它，并清除产生的灰烬。在生火的技术发明之前，保管捕获的火种是社会褒奖的一门手艺。或许，跳跃的家火可以被盛在陶罐中与那些家火不幸熄灭的邻居交换物品。
如同蒲公英一样，人们早已观察到野火可以引发更多的火种，飞溅的火苗随风飘到远处的干草上并燃烧起来。直立人是否认为火无法自发产生，无论是平原上的野火还是炉灶的家火都必须要有火种？而首次钻木取火刷新了他们的世界观？
我们的祖先可能已经这样想象过，存在一群可繁殖的野火，或者家火的渊源可追溯到一个闪耀着光芒的祖先，而这位祖先可能借自某个遥远的部落并与其他人交换。但是这不是真正的遗传。为什么不是呢？怎么有了繁殖和谱系却不是遗传？这就是火要给我们上的一课。
真正的遗传，意味着不是继承火本身，而是继承火与火之间的差异。有些火更黄，有些更红，有些咆哮，有些噼啪作响，有些嘶嘶叫，有些冒烟，有些溅出火星。还有些火苗上带蓝色或绿色的色彩。我们的先祖，如果已经研究过他们的家犬，会清楚地发现狗的谱系与火的谱系之间的差异。对于狗来说，“龙生龙，凤生凤”，至少其显著区别于其他狗的一些特点都来自其父母，当然还有一些来自其他方面，如食物、疾病和意外。而对于火来说，所有的变化都源自环境，丝毫没有源自有繁殖能力的火花。这些都来自燃料的质量和湿度，来自风的方向和强度，来自炉灶风箱的质量，来自土壤，来自那些可以给黄色火焰增添蓝绿或紫色的微量铜和钾元素。与狗不同，成熟火种的质地根本就不是取决于产生它的火花。蓝色火种没有产生蓝色火焰，噼啪作响的火焰也不是从其火源那里继承的噼啪声。因此，火的再生并不是遗传。
生命的起源就是真正遗传的起源，我们甚至可以说也是第一个基因的起源。第一个基因，我得赶紧澄清，不是指第一个DNA分子。没人知道第一个基因是否由DNA构成，而我认为不是。我说的第一个基因，指的是第一个复制因子。一个复制因子是一种实体，比如说是一个分子，能够形成一系列自身的拷贝。拷贝总是会出错，所以这个种群就会获得变异。真正遗传的关键在于，每个复制因子装备的是其复制的母本，而不是族群中的随机一员。第一个复制因子的起源并不是大概率事件，但只需要发生一次就够了。此后，这个事件的结果就会自我维持并通过达尔文主义的进化最终产生所有的生命。
一段DNA，或者在某些场合下，与DNA相似的分子RNA就是一个真正的复制因子。计算机病毒和一串字母也是如此。但是所有这些复制因子都需要一个复杂的装置来辅助它们。DNA需要一个细胞，细胞里已经有了高度适应的生化机器解读和拷贝DNA密码。计算机病毒需要电脑与电脑之间有数据传输，这些都是人类工程师遵从一定的密码原则设计的。而一串字母需要一批白痴加上训练到足够识字的大脑。第一批复制因子的独特之处在于，这个点燃了生命之火的存在，并没有任何现成的进化、设计或者教育而来的支持。除了遵守化学法则之外，第一个复制因子前无古人地开始了它的工作。
化学反应的一个有力推手就是催化剂，而某种形式的催化反应肯定参与了复制的起源。催化剂是一种可加速化学反应但不会被消耗的物质。所有生物化学都包含了催化反应，这些催化剂通常是大蛋白分子，叫作酶。一个典型的酶通过三维构象提供了化学反应分子结合所需的孔洞结构。这种结构可以将每个分子排列好，进入一个临时的化学构象，匹配好精度，这在开放的扩散体系中是不可能达到的。
根据定义，催化剂不会被其催化的化学反应消耗，但可能被生成。自催化反应就是反应过程中产生了自身的催化剂。可以想象，一个自催化反应很难启动，但是一旦启动，就会蔓延——真的就像野火，其实火具有自催化反应的一些特性。火并不是严格意义的催化剂，但是它可以自我更新。从化学上来看，火是一个放出热能的氧化反应过程，并且需要热量去助其跨越启动所需的阈值。一旦启动，火就可以像链式反应一样继续并扩散开，因为火产生了足够重新启动所需的热量。另一种著名的链式反应就是原子弹爆炸，不过在这个案例中不是化学反应而是核反应。遗传就是起始于一次幸运的自催化过程或者自我生成过程。它就像火一样迅速发生并蔓延，并最终走向了万物遵循的自然选择。
我们也通过氧化含碳燃料产生热量，但我们不会着火，因为我们的氧化反应是可控的，一步一步地将能量释放进有用的通道而不是如不可控制的热量一样耗散。这种受控的化学反应或者新陈代谢，和遗传一样是生命的普遍特征之一。那些生命起源的理论需要同时考虑遗传和新陈代谢，但有些作者将优先级弄错了。他们寻找一种有关新陈代谢自发起源的理论，而希望遗传通过某种方式紧随其后，如同其他有用的装置一样。但正如我们所见，遗传不能被当作一种有用的装置。遗传必须首先出现在舞台上，因为在遗传之前，“有用”本身没有意义。没有遗传，就没有自然选择，也不会有什么东西是有用的。“有用”这一想法只有当自然选择的遗传信息开始工作之后才能启动。
如今比较受重视的生命起源的早期理论是由俄国的亚历山大·奥巴林（Alexander I. Oparin）和英国的约翰·霍尔丹于20世纪20年代各自独立提出的。两人都更重视新陈代谢，而不是遗传。两人也都意识到很重要的一点，那就是地球大气中缺乏游离的氧气。当游离的氧气存在时，有机化合物（含碳的化合物）很容易燃烧或者氧化成二氧化碳。这对我们这些离开氧气几分钟之后就会死亡的生物来说有些奇怪。但我已经解释过，对我们的最早期的祖先而言，氧气曾经是一种致命的毒药。从我们对其他星球所知的一切可以推测地球早期大气中缺少游离氧。后期游离氧作为绿细菌产生的污染性废物开始积累。这种绿细菌刚开始是游离的，后来整合进入植物细胞中。在某个时期，我们的先祖们进化出了应对氧气的能力，后来就依赖它了。
顺便说一下，我之前已经说过氧气是由绿色植物和藻类产生的，这其实是一种过度简化的说法。植物释放氧气是对的，但是当一株植物死亡时，它腐烂的化学反应就等同于将其所有含碳物质都烧毁，这个过程消耗的氧气量相当于它一生所释放的氧气量。因此，大气中的氧气含量并没有净增加。但是有一个例外，不是所有死亡的植物都会彻底腐烂。它们有些部分会沉积成煤炭（或者其他类似物），其他部分被吃掉，而部分猎食者自身也可能会被埋葬在岩石中[38]。这个净效应使得富含能量的化合物深埋地底而一部分氧气可自由循环。焚烧化石燃料可释放这些埋藏的能量，将这些氧气转变为二氧化碳，如同将我们推向远古时代的状况。幸运的是，我们不太可能再一路回归到那个空气令人窒息的坎特伯雷。但是不要忘记，我们呼吸的氧气能够存在，是因为那些化合物被禁锢在地下，包括煤炭和石油。我们是冒着风险在使用这些燃料。
在早期地球上，氧原子一直存在，但并不是以游离的氧气气体形态存在的。它们被束缚在各种化合物中，比如二氧化硅（沙子）这样的固体，比如水这样的液体，以及二氧化碳这样的气体。今天的碳元素大多数存留于生物体中，或者以更大的比例存在于岩石中，如白垩，石灰岩和煤，而这些又有许多来自曾经活着的生物。在坎特伯雷时代，这些碳原子更多地是以二氧化碳的形式存在于大气中。
奥巴林和霍尔丹认识到，与此相似的大气环境对简单有机化合物的自发合成是有利的。这里我引用霍尔丹的原话，这是他的一段著名论断：
现在，当紫外线作用于水、二氧化碳和氨气的混合物时，会产生各种有机物质，包括糖以及很显然地，一些蛋白质合成所需的物质。这个事实已经由利物浦的贝里和他的同事们证实了。在当今的世界，这些物质即使能留下来，也会被降解，也就是说，它们会被微生物摧毁[39]。但在生命起源之前，这些物质得以积累，直到这些原始海洋成为滚热的稀粥。
这段话写于1929年，比米勒和尤里广为引用的实验早了20多年。从霍尔丹的角度看，米勒他们的实验只不过是贝里实验的某种重复。然而，贝里并不关心生命起源问题。他的兴趣在于光合作用，他的成就是通过照射紫外光，并在催化剂铁和镍的参与下，在溶解了二氧化碳的水溶液中合成了糖。其实是聪明的霍尔丹[40]，而不是巴里，以他典型的智慧预测了米勒–尤里实验，并重新解读贝里的工作。
米勒在尤里指导下做的实验是将两个上下摞起来的烧瓶用两根管子连接起来。下层的烧瓶中盛放着热水，代表原始海洋。上层的烧瓶盛装模拟的原始大气（当时认为主要是甲烷、氨气、水蒸气和氢气）。通过其中一根管子，从下层沸腾的“海洋”中升腾起的蒸汽进入上层烧瓶中的大气中。另一根管子中则从“大气”回流到“海洋”。在此过程中，蒸汽穿过一个火花室（模拟闪电）和一个冷却室，在那里蒸汽凝结成“雨”，回落到“海洋”中。
如此循环模拟了仅仅一周之后，海洋已经变成了黄褐色，米勒分析了其中的成分。如霍尔丹预期的那样，它变成了一锅有机化合物的“汤”，包括不少于7种构建蛋白质所必须的氨基酸。其中有3种——甘氨酸、天冬氨酸和丙氨酸——也存在于当代生物所需的20种氨基酸列表中。
米勒戏剧性的实验结果影响深远。即便地质学家现在告诉我们早期大气的成分主要是氮气和二氧化碳，那也没什么关系。不管怎样，它建立了一个一般原则：复杂的有机分子无须生命体去制造即可形成。最近，注意力转向了简单分子如硫化氢和氰化氢的反应，计算结果认为它们可由流星碰撞而产生。再加上紫外光和一些普通矿物质，剑桥大学的约翰·萨瑟兰带领的研究团队不仅制造出了原始的氨基酸（这次有8个），同时也有脂肪的复杂前体以及意义重大的RNA分子。他们的独特方法要求不同的反应在各自特殊的环境条件下发生，之后再由雨水将产物汇集到一起。
不管这些反应是否精确地重建了早期生命的发生过程，我们知道自然的非生物反应过程的确创造了复杂的有机化合物（包括氨基酸），因为我们在陨石中找到了这些东西。虽然并不知道这些化合物如何在外太空形成，但它们的确形成了，据推测它们在地球生命起源前的环境中就已经存在。这几乎让我们觉得米勒不需要如此费力去验证。虽然最初自我复制的分子如何出现依然是个谜，但至少第一个阶段——也就是米勒实验模拟的——目前看来司空见惯。
对奥巴林来说，最关键的步骤是第一个细胞的起源，并且可以肯定的是，细胞如同器官一样具有一个重要特性，那就是它们根本无法自发产生，而是需要从其他细胞复制而来。所以把第一个“细胞”（代谢者）而不是第一个‘基因’（复制者）看作生命的起源是可以理解的，我也这样认为。在那些偏好代谢优先的现代理论家中，杰出的理论物理学家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）意识到并捍卫着这个观点，美国国家航空航天局喷气推进实验室的迈克·拉塞尔（Mike Russell）充分发展了这个理念。大多数理论学家，包括加利福尼亚的莱斯利·奥格尔，德国的曼弗雷德·艾根（Manfred Eigen）及他的同事们，以及苏格兰的格雷厄姆·凯恩斯–史密斯——格雷厄姆多少是个孤独的独行客，但不应因此将他忽略——认为自我复制更优先，这种优先不仅体现在发生的时间次序上，而且还体现在重要程度上。我认为他们是对的。
没有细胞的遗传看起来像什么？我们是不是遇到了“先有鸡还是先有蛋”的问题？确实如此，假如我们认为遗传需要DNA物质，而如果没有一大堆辅助分子包括那些只能由DNA编码信息合成的蛋白质，那么DNA无法复制。但是仅仅因为DNA是我们知道的主要自我复制因子，并不意味着这是我们能想象的唯一一个，或者说自然界曾经存在过的唯一一种自我复制因子。格雷厄姆已经令人信服地证实了早期的复制因子是无机盐晶体，而DNA是一个后来居上的篡位者，直到生命的进化使得这种遗传替代成为可能时，DNA才成为舞台上耀眼的明星。在此我不打算展开他的论点，部分原因是因为我已经在另一本书《盲眼钟表匠》中做了最充分的阐述，另外还有一个更主要的原因。关于复制是根本以及DNA一定有某种形式的先驱者的观点，格雷厄姆做了我读过的最清晰阐释。我们不清楚这个先驱者的本质，但它表现出了真正的遗传性。如果人们在心中把这个无懈可击的论断跟他另一个更具争议和猜测性的观点（认为无机盐是先驱者）捆绑在一起，那么我认为这是一种遗憾。
我对于无机盐理论并无异议，这也是为何我之前对它做过详细阐述，但我真正想强调的是复制优先，以及从某种先驱者转变为DNA的极大可能性。为了更好地阐释这个观点，我想在本书中慎重地转向一个有关先驱者可能是什么的特别理论。不管它作为最初复制因子的终极好处在哪儿，RNA毫无疑问是比DNA更好的候选者，并且也被一些理论学者在他们所谓的“RNA世界”（RNA World）中赋予先驱者的角色。为了介绍“RNA世界”理论，我需要离题去讨论一下酶。如果复制因子是生命大戏的主角，那么酶就是联合主演，而不只是配角。
酶有一种鉴赏家般的能力，挑剔地选择催化生物化学反应，而生命完全依赖于这样一种能力。当我在学校学习酶的课程时，传统观点（我认为是错的）认为科学的传授应该用浅显易懂的例子来解释，比如用我们向水中吐的口水证明唾液淀粉酶能够消化淀粉并制造葡萄糖。从这里我们得到的印象是酶就如同腐蚀性的酸一样。使用酶来降解衣服上的脏污渍的生物洗衣粉也给我们同样的印象。但这些是分解酶，将大分子降解成小分子。我接下来要提到的还有合成酶，它们如同一个个“机器媒人”一样将小分子撮合成大分子。
细胞内部的溶液中包含了成千上万种分子以及不同形式的原子和离子。如果两两配对组合的话，将会有无限可能性，但总体来说它们不会这样。细胞内有大量潜在化学反应在等待指令，然而大部分并没有发生。当你思考下面的问题时，千万记住这一点。一个化学实验室的架子上有上百个瓶瓶罐罐，里面的物质全都安全地密封着而无法相互反应，除非药剂师将一瓶中的物质与另一瓶添加到一起。你可以说，化学实验室的架子上有大量潜在化学反应在等待指令，但同样，多数情况下都不曾发生。
但设想一下，一下子把所有的瓶子从架子上取下来并倒进同一个装满水的水缸。这看似一个荒诞的科学玩笑，但如此一个水缸不就很像一个活体细胞吗？尽管细胞内部很多膜结构使得这幅景象更加复杂。成千上万种可能发生反应的化学成分不再分装在不同的瓶子中。相反，在相同的空间里它们一直混合在一起。但是它们依然在等待，大部分不发生反应直到需要发生反应为止，如同依旧隔离在虚拟的瓶中。事实上没有虚拟的瓶子，而是酶在扮演着机器媒人的角色，或者我们甚至可以称它们为实验室机器助理。酶的分辨能力，很大程度上类似于收音机的调谐电路，把一种特定无线电接收装置与特定的发射装置相连，同时滤去上百种其他杂乱信号。
假设有一个重要的化学反应，A与B反应生成Z。在化学实验室我们从架子上取下标记了A的瓶子，从另一个架子上取下标记了B的瓶子，将它们混合在一个干净的烧瓶中，并提供其他一些必要的条件，如加热或搅拌。只需从架子上取下两个瓶子，我们就能做成我们所要的特殊反应。在活体细胞中，很多A分子和B分子混杂在大量不同分子里，沉浮在溶液中，它们可能相遇，但即便相遇也很少结合。现在我们引入另一种酶，我们可以叫它abz酶，其特殊形态结构可催化A+B=Z反应。细胞中有上百万个abz酶，每一个都扮演了实验室机器助理的角色。不是在架子上而是漂浮在细胞中，每个abz酶抓住一个A分子，然后又抓住漂过的B分子。它牢牢地将A控制住，使得A朝向一个特定的方向。同时，它也牢牢地将B控制住，使得B与A相邻并处于一个恰好的位置和构象，以便于结合并生成Z。酶也可以做其他事情——就像拿着搅拌棒或者点亮煤气灯的人类实验室助理一样。它可以暂时与A或B形成化学键结合，在这个过程中交换原子或离子，不过最终这些原子或离子还会被送回来，于是酶也完好如初，这就是催化剂的特质。这一系列过程的结果就是在酶分子的控制下形成了新的Z分子。然后这位‘实验室助理’将新的Z释放到溶液中，并等待另一个A路过并抓住它，周而复始。
如果没有实验室机器助理，一个漂浮的A分子会偶然撞上一个漂浮的B分子，并在合适的条件下结合。但这种运气事件很少发生，与A或者B很少遇上其他可结合的分子一样。A可能遇上C生成Y，或者B可能遇上D生成X。少量的Y和X的确可一直由这种幸运的漂浮而生成，但实验室助理酶——abz酶的存在使得一切截然不同。在abz酶存在的情况下，Z以工业流水线的方式（从细胞的角度来看）大量生成：通常来说酶可将自发反应速率提高百万到亿万倍。如果引入另一种酶——acy酶，A会和C而不是B结合，同样能够以高速传送带的速度大量生成Y。我们说的是同样的A分子，并非被束缚在一个瓶子中，而是可自由地与B或者C结合，具体与哪个结合取决于哪种酶来抓取。
因此，Z和Y的生成速率取决于漂浮在细胞中的这两种竞争性实验室助理abz酶和acy酶的数量。而这又依赖于这两种基因在细胞核中的启动表达。尽管如此，但实际情况有些复杂：即便存在一个abz酶分子，它也可能处于失活状态。有一种情况会导致这种状态，那就是另一种分子过来并占据了此酶的活性位点。就好比这个实验室助理的机械臂被暂时戴上了手铐。顺便说一句，这个“手铐”的比喻提醒我声明一下，这可能误导大家对“实验室机器助理”的理解。实际上酶分子并没有可伸出的手臂去抓一些分子，比如说A，更别提戴上手铐了。只是它自身的表面有一些特殊区域，比如说对A有亲和力，或者是物理形状的吻合，或者是因为某些深奥的化学性质。这种亲和力可以被暂时削弱，就好比按计划按下开关。
多数酶分子都是特殊目的导向型“机器”，只生产一种物质，糖或者脂肪，嘌呤或者嘧啶（DNA和RNA的结构基础），或者氨基酸（其中有20种是天然蛋白质的构成基础）。但有些酶更像是程序控制的机器工具，根据指令做事。这其中的突出代表就是核糖体。我们在《水生栖热菌的故事》中简单解释过，核糖体是一种由蛋白质和RNA共同构建的庞大而复杂的机器工具。氨基酸是构建蛋白质的基本成分，早已被特异性酶制造出来并漂浮在细胞中，等待被核糖体捕获。程序指令就是RNA，准确地说是信使RNA（messenger RNA，简称mRNA）。程序指令中携带的信息，是从基因组的DNA中复制而来的，进入核糖体并当其通过“阅读磁头”时，正确的氨基酸按照条带中基因密码排列的特定顺序装备到蛋白质链上。
这种精细运转的方式已经被人们熟知，并且妙不可言。细胞内有一套小的转运RNA（transfer RNA，简称tRNA），每个大概有70个碱基。每种tRNAs选择性地与20种天然氨基酸中的一个，而且是唯一一个相结合。tRNA的另一端是反密码子，即三个与短mRNA序列精确互补的碱基。当这条mRNA的“磁带条”通过核糖体的“阅读磁头”时，每个mRNA密码子跟一个相应的tRNA反密码子结合。这使得摇摆在tRNA另一端的氨基酸被带到流水线的正确配对位置上，连接到新形成蛋白质的延伸末端。一旦新的氨基酸连上，tRNA就会脱落下来，并寻找它所青睐的新氨基酸分子，mRNA“磁带条”则继续向前缓慢移动。这个过程不断继续下去，蛋白质链一步一步伸长。惊奇的是，一个mRNA的物理链条可以同时与多个核糖体结合。这些核糖体的每一个都在这个链条的不同位置上移动其“阅读磁头”，并且每个都如挤牙膏那样挤出一条各自的新合成的蛋白质链。
每条新的蛋白质链完成后，核糖体上的mRNA彻底通过了核糖体的“阅读磁头”，蛋白质就会解离下来，并折叠成复杂的三维结构，其形状是由蛋白质链中的氨基酸序列通过物理和化学作用原则决定的。氨基酸的序列则由mRNA中编码序列的顺序决定，而mRNA编码序列由DNA中与之互补的序列决定。DNA就构成了细胞中的主数据库。
因此，DNA的编码序列控制着细胞中的活动。它决定了每种蛋白质中的特定氨基酸序列，继而决定了蛋白质的三维结构，而三维结构又反过来赋予了这种蛋白特定的酶活性。重要的是，这种控制可能是间接的，正如我们在《小鼠的故事》中所看到的，基因决定着哪些基因被启动以及何时启动。任何一个细胞里的大多数基因都没有被启动。这就是为何在这个所有反应都能够进行的“充满混合成分的大缸”中，实际上任何时间点都只有一两个反应在发生，因为只有它们的“实验室助理”处于活跃状态。
在离题讨论了催化和酶的话题后，我们现在从普通的催化反应转向特殊的自催化反应，这其中的某些形式可能在生命起源中发挥了重要作用。回想我们之前假设的例子，A分子与B分子在abz酶的影响下生成Z。假如Z本身就是它自己的abz酶呢？我的意思是，假如Z分子恰好拥有合适的形态和化学特性，可以捕获一个A和一个B，将它们以正确的朝向凑到一起，并相互结合生成Z，也就是它自己？在前面的例子中，我们可以说溶液中abz酶的数量会影响生成的Z数量。但是现在，如果实际上Z是一个与abz酶一样的分子，我们只需要一个Z分子去引发链式反应。第一个Z抓住A和B并将之结合在一起生成更多的Z。然后这些新的Z再捕获更多的A和B并结合在一起生成更多的，如此循环下去。这就是自催化效应。在合适的条件下，Z的数量会呈爆炸性指数增长。听起来这种物质作为生命起源的一种成分，大有可为。
但这都是猜想。加州斯克里普斯研究所（Scripps Institute）的朱利叶斯·雷贝克（Julius Rebek）和他的同事们将此变成了事实。他们研究了化学中真实存在的奇妙的自催化现象。在其中一个案例中，Z是氨基腺苷三酸酯（amino adenosine triacid ester, AATE），A是氨基腺苷，B是五氯苯酯，这个反应不是在水中而是在氯仿中发生的。不消多说，这些特殊的化学反应细节以及这么冗长的名字都不需要记住，关键的是这个反应的产物是其自身的催化剂。第一个AATE分子很难形成，但一旦形成了，链式反应立即被激发，通过催化自身的反应合成了更多的AATE。即便如此也不够，这一系列聪明的实验进一步证明了我们在此定义的真正的遗传。雷贝克和他的团队发现了一个系统，在此系统中存在不止一个自催化物质。每个自催化物质使用其偏好的成分催化自身的合成。这提出了一种可能性，即在一个呈现出真正遗传的群体中存在真实的竞争，正是达尔文自然选择的初始形态，这一发现颇富教育意义。
雷贝克实验的化学反应是高度人造的。尽管如此，他的“氯仿玩具世界”漂亮地展示了自催化原理，即一个化学反应的产品可以作为其自身的催化剂。生命的起源就需要某些类似自催化的过程。在早期地球环境中，RNA，或者某些类似RNA的物质可能在水溶液而不是氯仿中具有雷贝克模式的自催化效应吗？
正如德国诺贝尔化学奖获得者曼弗雷德·艾根解释的那样，这个问题令人生畏。他指出，任何一种自我复制过程都会因突变而复制错误，从而退化。想象一个自我复制的实体集合，其中每次复制事件都有极高概率产生错误。如果编码的信息想在突变的蹂躏中“不改本色”，那么每一代集合的成员中都要至少有一个跟母本完全一样。举个例子，假设一条RNA链中有10个编码单元，那么每个单元的平均错误率要低于1/10，这样我们才能预期至少在子代的一些成员中将会有完全跟10个正确密码单元互补的链。但是假如错误率更高，随着代际传递，信息将会无情地退化，不管自然选择的压力有多强，这叫作“错误劫难”（error catastrophe）。我之前已经提过马克·里德利的一本优秀著作《孟德尔的恶魔》，他在著作中提出“在高级基因组中，性的出现可以避免错误劫难”。而我们在这里关心的是最简化的基因组以及威胁生命起源自身的错误劫难。
确实，短链RNA以及DNA可以在没有酶催化的情况下自发进行自我复制。但每个碱基的错误率远高于酶辅助的情况。这意味着，在一段足够长的基因能够合成并制造出一个工作的酶蛋白之前，这段羽翼尚未丰满的基因就早已经被突变毁掉了。这是生命起源中难以解决的逻辑窘境。一段能够特异性地制造酶分子的基因必须足够大，而没有酶分子辅助的话这段基因又太大了，难以精确复制。所以显然这个系统难以启动。
为了解决这个逻辑窘境，艾根提出了“超级循环理论”。它使用了老套的分而治之的策略。编码的信息被细分成足够小的亚单元，使其处于发生错误劫难的阈值以下。每个亚单元本身就是一个迷你型的自我复制因子，小到足以保证每一代至少有一个拷贝能够幸存。所有这些亚单元合作发挥一些重要的大功能，而同样程度的功能如果由单个大分子来催化必然遭遇错误劫难。
如果只根据我目前对这个理论的描述，整个系统存在不稳定的风险，因为一些亚单元自我复制的速度比其他亚单位快。这就体现出该理论的聪明之处了。每一个亚单元都是在其他单元存在的情况下繁盛起来的。更具体地说，每一个亚单元的产生都被另一个亚单位的存在催化，如此形成了一个相互依赖的循环：一个“超级循环”。这就自动阻止了任何一个成员脱离集体单独向前跑。它无法脱离，因为一切都依赖于超级循环中的其他成员的帮助。
约翰·梅纳德·史密斯指出了超级循环体系和生态系统的相似之处。鱼的数量取决于它们取食的水蚤的数量。反过来，鱼的数量也影响了吃鱼的鸟的种群数量。鸟为水藻提供鸟粪，而水藻又是水蚤赖以繁衍的食物。这个相互依赖的圈子就是一个超级循环。艾根及其同事彼得·舒斯特（Peter Schuster）提出某种分子水平的超级循环可以解决关于生命起源的逻辑窘境。
不久前，尼勒什·维迪雅（Nilesh Vaidya）和同事们在美国实验室使用一种可细分为三段的RNA分子制造出了一个三种成分组成的化学超级循环。这个RNA分子分成A、B和C三段，其中A帮助制造B，而B帮助制造C，C又帮助制造A。他们选择了RNA作为实验的基石，多半基于一个相同的理由，那就是在生命起源的早期阶段RNA世界是一个强有力的理论竞争者。要理解这一点，我们需要看看为何蛋白质是很好的酶分子，但不适合作为复制因子，为何DNA适合复制，但不适合作为一个酶，最后为何RNA可能两边都合适，足以打破这个逻辑窘境。
对于酶活性来说，三维形态结构非常关键。蛋白质很适合作为酶，因为它们可以形成任何你想要的三维结构，这种三维结构是其线性氨基酸序列自组装的结果。这主要是氨基酸与不同部位的氨基酸之间的化学亲和力决定了这条蛋白质链如何将自身打结成特殊的形态。所以蛋白质三维形态结构特异性地由一维氨基酸序列决定，而后者又是由基因的一维编码序列决定。从理论上说（实践上是另一回事，极其困难），几乎任何你想要的形态都可能通过写下一个氨基酸序列并自发组装形成：不仅仅是形成可以工作的酶，而且可以形成任何你选择的形态[41]。正是这种多变的特性使得蛋白能够胜任酶的角色。在充满各种成分的细胞中，必有一种蛋白质可从成百上千种可能的化学反应中挑选出合适的反应。
这样，能将自身打结成任何所需形态结构的蛋白质就成了绝佳的酶。但它们是糟糕的复制因子。与DNA和RNA的组成成分遵守特定配对原则（“沃森–克里克配对原则”，由两个充满激情的年轻人发现）不同，氨基酸没有这样的规则。DNA则相反，它是一个极好的复制因子，但是一个糟糕的酶角色候选人。这是因为，与蛋白质具有几乎无限可能的三维结构形态不同，DNA只有唯一一个基本形态，也就是著名的双螺旋结构。这个双螺旋结构非常适合复制，因为两边很容易分离，每一边都可以暴露出来作为模板并遵守沃森–克里克配对原则接受新的碱基加入。这对于其他方面的事情却没有什么好处。
RNA既具有DNA作为复制因子的一些优点，也具有蛋白质作为酶形态百变的一些优点。DNA和RNA都可以形成双螺旋结构，并且组成RNA的四个碱基与DNA的四个碱基非常相似，每一套都可以作为另一个的模板。另一方面，与DNA相比，RNA更容易断裂成单个碱基片段，它的双螺旋形态可变性更少，而碱基配对的作用力更强。这三种特性使其作为复制因子的角色略差于DNA，只有一些拥有小基因组的简单生物，如一些病毒，能够使用RNA作为它们的基本复制单位。
但RNA的后两种特性不只是缺点，还可以作为优点。RNA的相对不灵活性意味着它无法形成长的双螺旋结构。而很强的碱基配对能力意味着一个RNA链会形成短的双螺旋结构——甚至，它会倾向于与自身的一部分结合，就和产生RNA拷贝一样遵循常规的沃森–克里克碱基配对原则。RNA通常找到自身的一个小片段并与之配对，这使得它可以像一个蛋白质一样将自身扭结起来。配对原则要求这些片段的方向必须相反，所以一条扭结的RNA链倾向于包括一系列的发卡状弯曲结构。
RNA分子将自身扭曲成三维形态结构的技能可能不如大的蛋白分子，但已经足以激励我们去猜想，RNA可能已经能够装备出很多不同功能的酶了。实际上人们已经发现了很多RNA酶，它们被称为核酶（ribozyme）。结论就是，RNA具有一些DNA作为复制因子的特性，也具有一些蛋白作为酶的性质。或许在主要的复制因子——DNA以及主要的催化者——蛋白质出现之前，存在一个世界——RNA就可身兼二职行使两方的功能。或许在世界之初，一个RNA火种点燃了自身，之后开始制造蛋白质，蛋白质反过来帮助合成RNA。当然也有后来喧宾夺主的DNA。这是RNA世界理论所期望的过程。这个设想得到了哥伦比亚大学的索尔·施皮格尔曼（Sol Spiegelman）启动的一系列有趣的实验的间接支持，这些年也被不同的课题组用各种方式重复。施皮格尔曼的实验使用了一种蛋白酶，可能会被认为作弊，但是实验所得的精彩成果成功证明了该理论的内在联系，这使得你情不自禁地感觉这都是值得的。
首先需要介绍背景知识。有一种病毒叫Qβ。这是一种RNA病毒，这表明与DNA不同，其基因完全由RNA构成。它使用一种酶来复制自身的RNA，这叫作Qβ复制酶。在野生状态，Qβ是一种噬菌体——一种细菌寄生虫，尤其寄生在常见的肠道菌群大肠杆菌中。宿主细菌以为QβRNA是它自身信使RNA的一部分，它的核糖体也误以为如此并进行加工，但其生产出来的蛋白质却有利于病毒而不是宿主细菌。这种蛋白有四种：一种是保护病毒的衣壳蛋白，一种是将它黏附到细菌上的粘连蛋白，一种是所谓的复制因子，我稍后会再提及，还有一种是“炸弹”蛋白，在病毒完成复制时摧毁细菌细胞并释放出成千上万的病毒颗粒。上述每一个都在衣壳的包裹下转移到另一个细菌细胞中并继续这一过程。我说过我会重提复制因子。你可能认为这一定是Qβ复制酶，但实际上它更小也更简单。这个小小的病毒基因自身所做的就是制造一种蛋白，可将细菌为自身生产（当然出于不同的目的）的三种蛋白“缝合”在一起。当这三种蛋白被病毒自己的小蛋白锚定在一起时，组合而成的复合体就叫作Qβ复制酶。
施皮格尔曼只从这个系统中分离出两种成分，Qβ复制酶和QβRNA，然后将它们和一些制造RNA需要的小分子原材料一起放置于溶液中，并观察溶液中发生的现象。RNA捕获小分子并依据沃森–克里克配对原则制造自身的拷贝。在没有任何细菌宿主，也没有蛋白外壳或者病毒等任何其他部分的情况下，RNA完成了这个壮举。这本就是一个很好的结果。请注意，作为体外RNA常规活动的一部分，蛋白质合成已经完全被踢出了这个圈子。我们现在有了一个可复制自身而无须劳烦去制造蛋白质的裸露RNA复制系统。
施皮格尔曼之后又做了一件奇妙的工作。他在完全人工的试管世界里面，设计了一套完全没有细胞参与的进化。请将他的装置想象成一排长试管，每个都含有Qβ复制酶和原材料，但没有RNA。他在第一个试管中种下少量的QβRNA，适时地复制了很多自身的拷贝。然后他取出少量液体样品并在第二个试管中滴入一滴。这份RNA种子在第二个试管中启动复制。在这一过程进行了一段时间后，他从第二个试管中取出一滴并放入第三个空试管中。以此类推。这就好比来自我们火种的火花在干草中点燃了新的火焰，而新的火再引发另一场火，如此进行连锁反应。当然结果是不同的。火不会继承其火种的任何特性，但施皮格尔曼的RNA却会。这样的结果就是自然选择下最为基础和根本的进化形式。
施皮格尔曼以模拟不同世代的方式连续从不同的试管中取RNA样品并监测其特性，包括感染细菌的能力。他的发现相当令人着迷。进化中的RNA变得越来越小，同时对细菌的感染能力也越来越弱。进行到74代[42]之后，试管中的典型RNA分子已经变得只有其“野生祖先”的一小部分。野生型RNA分子好比一串有着大概3 600个“珠子”的项链。经过74代自然选择，试管中的平均RNA分子已经将大小降低到550：这对感染细菌没啥好处，但对感染“试管”却是高明的办法。所发生的一切已经非常明了。RNA的自发突变一直在发生，而能生存下来的突变都非常好地适应了试管中的世界，而非自然世界中等待被感染的细菌。主要的区别在于，试管中的RNA分子可以丢掉所有编码那四种蛋白的遗传信息——衣壳蛋白，“炸弹”蛋白以及其他那些野生病毒感染细菌所需要的工具，只剩下在充满Qβ复制酶和原材料的试管温床中进行复制所需的最低需求。
这个最小需求的幸运儿，比它的天然祖先的十分之一还小，已经被广为人知地称为“施皮格尔曼的怪物”。因为体积更小，这个新型突变体比其竞争对手们复制速度更快，因而自然选择的力量就逐渐提升了其在种群中的数量（顺便说一句，“种群”是非常精确的词，尽管我们在讨论的是自由漂浮的分子，而不是病毒或任何形式的生物体）。
奇异的是，当这个实验重来一遍时，进化而来的施皮格尔曼怪物几乎一模一样。施皮格尔曼和另一个研究生命起源的领军人物莱斯利·奥格尔做了进一步实验，他们在溶液中加入了一些有害物质，如溴乙啶。在这类情况下，一个具有溴乙啶抗性的不同的怪物进化出来。不同的化学“障碍训练”会进化催生出不同的怪物专家。
施皮格尔曼的实验中使用了天然的野生型QβRNA作为实验的起点。在曼弗雷德·艾根实验室工作的萨普（M. Sumper）和卢斯（R. Luce）则得到了一个真正让人目瞪口呆的结果。在某些条件下，一个根本没有RNA而只有制造RNA所需的原材料以及Qβ复制酶的试管，可自发产生具有自我复制能力的RNA，并且在合适的条件下可进化出类似施皮格尔曼怪物的东西。说了这么多，顺便提一提，神创论者害怕（或者希望，我们宁可这么说）大分子太难进化出来。这只是自然选择不断累加的力量体现（自然选择绝不是一个盲目的随机过程），施皮格尔曼的怪物只花了几天时间就从头做起制造了一个自己。
这些实验并没有直接验证生命起源的“RNA世界”猜想。尤其是，我们仍然在全过程中“作弊”地使用了Qβ复制酶。“RNA世界”猜想将希望寄托于RNA自身的催化能力上。如果RNA能够催化其他反应，正如已知的情况，那有没有可能也可以催化自身的合成呢？萨普和卢斯的实验中没有RNA，但提供了Qβ复制酶。我们所需的新实验就是连Qβ复制酶也不用。研究在继续，而我也期盼振奋人心的结果。不过现在我要切换到另一种理论，这与RNA世界以及很多现存的有关生命起源的理论都完全兼容。该理论提出的关键事件发生的地点非常有趣。不是“温暖的小池塘”而是“炽热的深层岩石”。这个理论的提出者是另一个特立独行的人，托马斯·戈尔德（Thomas Gold），原本是一个宇航员，但又足够渊博，是现在罕有的“全才科学家”，并以杰出的成就当选为英国皇家科学院院士和美国科学院院士。
戈尔德认为，我们认为太阳是生命起源的能量驱动的执念可能是错误的。也许我们又一次被那恰巧很熟悉的事误导：再一次把我们本不该得的东西当作我们以及我们生活方式的一种必然。曾经有一段时间教科书都声称所有生命都最终依赖阳光。而在1977年有了一个令人惊奇的发现，大洋底部的火山口生活着一群不需要阳光的奇特生物。炽热岩浆的温度将水温提升到100度以上，但在深海的巨大压力下这个温度远未达到沸点。周围的水很冷，温差梯度驱动着各种不同种类的细菌的新陈代谢。这些嗜热细菌，包括可利用火山喷发释放的硫化氢的硫化细菌，构成了完善的食物链底端，而上端包括长达3米的血红色的管蠕虫、帽贝、贻贝、海星、藤壶、白蟹、明虾、鱼以及其他能在80摄氏度水温中生存的环节动物。我们已经见识过有些细菌能够忍受地狱般的温度，但已知的动物几乎还无法做到这一点，而这些环节动物被相应地冠以“庞贝虫”的称号。一些硫化细菌在扇贝以及巨大的管蠕虫那里找到栖身之所，而管蠕虫具有一些特别的生化能力，可使用血红素（因此它们是血红色的）给自身的细菌提供硫。这些凭借细菌从火山口汲取能量的生物群落让每一个人感到震惊，先是因为它们的存在，继而因为它们的丰富程度，这与它们周围海底近乎贫瘠的状况形成了鲜明的反差。
即便有了这个轰动的发现，多数生物学家还是相信生命是以太阳为中心的。这些深海生物群落，尽管很迷人，但被我们中的多数人认为是稀有而不具备代表性的异常现象。戈尔德并不这样认为。他认为又热又暗且高压的深海是生命本来的归属地，也是生命的起源地。这倒不一定要在深海，也可能是深入地下的岩石中。我们这些生活在地球表面，生活在阳光和新鲜空气下的生物可能才是异类。他指出，细菌细胞壁中的藿烷类（hopanoids）有机分子在岩石中普遍存在，权威数据估计在全世界的岩石中存在10万亿到100万亿吨藿烷类物质。而这个数字轻松地超过了地表生物中大约1万亿吨的有机碳物质。
戈尔德注意到岩石中遍布着裂缝和空隙，虽然对于我们肉眼来说很小，但却为细菌大小的生物提供了多达10万亿亿个立方厘米的湿热生存空间。热能和岩石自身的化学物质，足以维持天量细菌的生存。许多细菌即便在高达110摄氏度的高温下依然生长得旺盛，这种能力使得它们可以在5千米至10千米深的地底生存，这个距离大概只需要细菌迁移不到1 000年即可到达。我们无法检验他的估计是否正确，但他的计算表明，在深层高温的地下岩石中生活的细菌菌群量可能超过了我们所熟知的地表依赖太阳的生命数量。
有关生命起源的问题，戈尔德和其他一些人已经指出，嗜热性——喜好高温的特性——在细菌和古菌中并不少见。实际上这很普遍，在细菌的谱系树上分布得非常广泛，并且这种嗜热性可能是我们熟悉的生命温良状态的原始阶段。关于化学和温度，原始地球地表的状态——一些科学家称之为“冥古代”——其实更像戈尔德提到的地下高温岩石，而非今天地表的状况。一个有说服力的例子就是，当我们向地下挖掘岩石时，我们实际上是在逆时间旅行，而我们会重新发现一些类似生命之初“灼热的坎特伯雷”环境。
1992年戈尔德的文章发表后，物理学家保罗·戴维斯（Paul Davies）近期在其书《第五个奇迹》（The Fifth Miracle）中总结了很多新证据，进一步支持了这个观点。在各种不同的地下钻孔取回的样本中，在采取了非常严格小心的措施以避免地表污染后，都发现了活的、可以繁殖的嗜热细菌。其中某些细菌已经成功地在一个改造过的高压锅中进行了培养。戴维斯跟戈尔德一样，相信生命可能起源于深层地底，并且依然生活在那里的细菌可能相对来说是我们遥远祖先的未曾改变的余荫。这种想法对于我们的朝圣来说尤其诱人，因为这给我们提供了遇见某些类似最早期细菌的希望，而不是遇见我们所熟知的被现代环境中的光、冷和氧气改造过的细菌。尽管起初受到了嘲讽，但这个有关生命起源的高热深岩理论现在已经广受欢迎。这个理论是否正确还有待于更多的研究，但我承认我期望它是正确的。
还有很多其他的理论我并没有涉及。也许某一天我们会在生命起源问题上达成一定的明确共识。即便如此，我也不确定是否会有直接的证据支持，因为我怀疑所有的证据都已经湮灭了。更有可能的是，某个人提出一个非常优雅漂亮的理论而被大家接受，正如伟大的美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒（John Archibald Wheeler）在另一段文字中讲到的：
……我们将会牢牢抓住它的核心理念，如此简单，如此美丽，如此令人信服，以至于我们彼此要说：“哦，怎么可能是别的情况呢！我们所有人怎么这么长时间都没意识到呢！”
如果最后我们不是以如此方式意识到生命起源之谜的答案，那我不认为我们还能揭开这个谜团。
