生命起源比你想的更简单

地球上突然出现RNA之类能自我复制的大分子，可能性微乎其微；但是由能量驱动的小分子反应循环，反而比较可能是生命的开始。

不平凡的发现可以让人提出不平凡的主张。当华生（James Watson）宣布他和克里克（Francis Crick）发现了DNA的结构后，克里克立即“飞奔到老鹰酒吧，告诉附近每个人：‘我们已发现了生命的秘密。’”DNA优美的双股螺旋结构，值得科学家投注热情：这种结构让遗传讯息能够以四种化学物质（碱基）构成的字母来传达下去，就像是英文使用26个字母来书写一样。

此外，这些资讯储存的形式为两条长链，两条长链记录了彼此的内容，这种安排显示了双螺旋的复制机制：DNA双股螺旋的两条长链在复制时会分开，带有碱基的DNA基本单元（核酸）会沿着刚分开来的两条长链排列并连接，形成两个新的双股螺旋结构，这两个都是原本DNA的复制品。

华生–克里克的DNA的结构，激发了排山倒海般有关活细胞运作方式的发现。诺贝尔奖得主缪勒（H. J. Muller）写道，基因成份是“活生生的物质，是最早生命的现今代表”；天文学家萨根（Carl Sagan）想像它是“一个原始、裸露而活生生的基因，处于稀薄的有机物质溶液中。”（这里的“有机”是指含碳原子的化合物，它们存在于生命中，也存在于非生命世界中）虽然人们对生命提出了许多不同的定义，而缪勒的看法和美国航太总署（NASA）的定义刚好一致：生命是能够自我维续、进行达尔文式演化的化学系统。

道金斯（Richard Dawkins）在他的《自私的基因》一书中，详细描述了最早的生命物质：“在偶然的机缘下，一个神奇的分子形成了。这种分子可能不是当时最大或最复杂的分子，但它有一个非常特别的性质：它能够复制自己。让我们称它为‘复制子’（replicator）。”道金斯在30年前写下这段话时，DNA是最符合这个角色的候选者，后来研究人员又认为其他分子可能是最早的复制子，但我和一些科学家认为，复制子的生命起源模型有其根本的缺陷，我们倾向另一个比较有道理的概念。

当RNA统治世界

科学家很快就发现“DNA为始”理论的困境。DNA在复制时如果没有一些蛋白质的帮助，就无法进行，而蛋白质是一群化学结构和DNA极为不同的大分子。DNA和蛋白质都是由一些基本单元串连形成的，DNA由核酸组成，蛋白质则由胺基酸组成。蛋白质是细胞内多才多艺的角色，像蛋白质家族中最为人知的酵素，就是扮演推手的角色，来加速原本过慢而无法用于生命的化学反应。今日细胞所用的蛋白质，都是根据储存在DNA内的蓝图所建造出来的。

以上的描述让我们回到了一个古老的谜题：先有鸡，还是先有蛋？DNA带有指示组装蛋白质的方法，然而如果没有蛋白质的帮忙，这些资讯也无法读取或复制，那么是哪一种大分子先出现？是蛋白质（鸡），还是DNA（蛋）？

当科学家的焦点转移到候选者RNA时，一个可能的解答浮现了。多才多艺的RNA和DNA一样，是由在细胞内担任了许多重要角色的核酸所构成。某些RNA可以将DNA的讯息转达给负责建造蛋白质的核糖体（而核糖体主要由另一类RNA组成）。RNA在执行其各项任务时，可以形成和DNA一样的双股螺旋结构，也可以和蛋白质一样以单股折叠成不同的构造。

1980年代初期，科学家发现了核糖（ribozyme），这是一种拥有酵素功能的RNA分子，此时鸡与蛋的谜题终于有了一个简单的答案：当第一个能自我复制的RNA分子出现时，生命诞生了。诺贝尔奖得主吉尔伯特（Walter Gilbert）于1986年在《自然》发表了一篇富含创意的文章，他写道：“我们可以想像一个RNA的世界，里面的成员仅有可催化自我合成的RNA分子因此当时演化的第一步，就是RNA发挥催化活性，在核酸汤中组装自己。”在这观点下，最早具有自我复制能力的RNA从无生命物质中诞生，执行各种现在是由RNA、DNA和蛋白质负责的功能。

其他许多线索也支持在生命演化历程中RNA早于DNA和蛋白质出现。举例来说，许多称为辅、可帮助酵素催化反应的小分子，里面也带有无明显功能的RNA核酸。科学家认为这种构造是“分子化石”，是DNA或蛋白质尚未出现、由RNA统驭生化世界的时代留下的遗迹。

不过这类线索仅能支持RNA早于DNA和蛋白质，并不能提供有关生命起源的资讯，在RNA世界之前，可能还有其他生命物体主宰的阶段。然而科学家将两个观点混淆，统称为“RNA世界”。在此我会用“RNA为始”来表示RNA与生命起源有关的概念，以和“RNA早于DNA和蛋白质”的概念区别。

“RNA为始”的理论面对了许多难以回答的问题：最早能自我复制的RNA是如何形成的？吉尔伯特描绘RNA从无生命的核酸汤中形成的景象，有着巨大的障碍。

RNA的基本单元核酸是结构复杂的有机物质，它含有一个糖分子、一个磷酸分子和四种含氮碱基中的一种。因此每一个RNA核酸都带有9或10个碳原子、一些氮原子和氧原子，以及一个磷酸基，然后以精确的三维空间模式组合起来。同样的成份可以有许多不同的组合方式，形成数千种可串连的核酸，但这些分子都不是组成RNA的核酸。不过这个数字算小的了，因为大小相当但又非核酸类的稳定有机分子，种类类多达数百万。

这些适合组成RNA的核酸会自行形成的概念，衍生自1953年米勒（Stanley L. Miller）发表的一个著名实验。他在装有当时认为代表了地球早期大气成份的容器中放电，然后发现容器内形成了胺基酸。在1969年掉落于澳洲的莫契逊陨石里，科学家也发现了胺基酸，显然自然界中含有丰富的这类基本单元。一些科学家于是扩大解释这些结果，认为所有生命基本物质都和米勒实验一样可轻而易举形成或存在于陨石中。然而事实并非如此。

和米勒实验制造的胺基酸比起来，核酸可要复杂多了。胺基酸的基本特征是含有一个胺基（一个氮原子和两个氢原子）和一个羧基（一个碳原子、两个氧原子和一个氢原子），两个化学基连接在同一个碳原子上。构成天然蛋白质的20种胺基酸中，最简单的仅含有两个碳原子，另外17种胺基酸含有三个到六个碳原子。米勒实验制造的胺基酸或其他物质，只含有两个或三个碳原子。相对的，没有任何放电实验或陨石研究能制造或找到任何核酸，显然无生命世界偏好形成碳原子较少的分子，而不利于产生较多碳原子的分子，因此我们生命所用的核酸并不易形成。

为了弥补“RNA为始”概念的致命缺陷，其倡导者于是提出了一个原生合成（prebiotic synthesis）的学说。他们设想了所有的相关条件和原料，尝试显示RNA和其组成的成份可以在实验室中，以一连串小心控制的反应而形成。

在此我们用一个比喻来描述这学说的问题：想像有个打高尔夫球的人在打完18洞之后，就假设没有他挥杆，球也可以自己完成球赛。这些研究者证明RNA可能形成，并假设只要时间够长，一些自然力量（例如地震、风、龙卷风和洪水）组合在一起，也能制造出相同的结果。自然形成RNA分子并不会违反物理定律，但

一些化学家提出在“RNA世界”以前，可能有类似RNA但更简单的复制子存在，并主宰了当时的世界。假设这个复制子也具有RNA一般的催化能力，由于现代生物学找不到任何这个假设中原始复制子和催化子的蛛丝马迹，RNA出现后，一定取代了它所有的功能。

即使自然界提供了一个适合基本单元（不管是核酸或更简单的分子）形成的原生汤，其成份自动组合出复制子的困难度，更胜于制备这锅原生汤。假设我们已经有一锅这样的基本单元汤，条件也利于长链的形成，汤中一定含有大量具有缺陷的单元，任何新链中加进了这类缺陷单元，做为复制子的能力就会遭到破坏，最简单的一种缺陷单元就是只有“单臂”可供连接的分子，它阻断了长链进一步加长。

一个中性的自然世界，理论上各种单元会随机组合，产生大量且多种中断的短链，而不是具有复制和催化功能需要的均匀几何结构长链。在我们可见的宇宙中若能形成这种结构一次，都堪称极度幸运。