十几年前，Jim Carrey主演过一部喜剧电影《冒牌天神》（Bruce Almighty）。在剧中，不停抱怨命运不公的主角布鲁斯突然被允许做一天无所不能的“上帝”，负责管理整个世界的运行。很快，布鲁斯就被写着所有人愿望的便利贴淹没了。
图片来源：《冒牌天神》
不得不说，布鲁斯在剧中领到的这个任务可能只算得上是“上帝简单模式”。如果想要给布鲁斯一些真正的考验，不如把他的任务推回到生命起源的阶段，毕竟生命的那些最初时刻才是最神秘、最吸引人的。（当然，电影也可能就成了一部科幻片。）
虽然电影和故事只是一种虚构和畅想。但不可否认，生命的起源和早期进化一直是现代科学中最受关注的大问题之一。想要了解生命的起源，必须找到许多问题的答案，从生命起源的天体物理和行星背景，到前生命化学越来越复杂的发展，到第一批细胞的组装，再到达尔文进化论中的进化以及后来越来越复杂的生命形式的出现。
生命起源和早期进化的大致“时间轴”（横轴时间单位：十亿年）。| 图片设计：雯雯子；参考来源：《进化》
目前，我们已经对生命起源和早期进化的大致时间轴有了一定了解。主流学说认为，地球被认为在大约45亿年前形成，而生命很有可能起源于地球最后的主要增长阶段（约40亿年前）和最早的已知化学化石形成（约38亿年前）之间的2亿年中。
在过去的半个多世纪里，有关生命起源的研究蓬勃发展。但科学的进程从来不是直线发展的，其中有一些关键发现突破了我们的认知，也有一些发现颠覆了以往的观点，但它们的共同之处在于，它们都让我们越来越靠近生命的开端。
时间：1953年
代表论文：A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions
代表科学家：Stanley L. Miller et al.
可以这么说，现代对生命起源的研究始于1953年。那一年，诺贝尔化学奖得主、化学家Harold Urey的博士生Stanley L. Miller进行了迄今为止最著名的生物发生实验，改变了人们对前生命合成的看法。
生物发生的第一步，首先需要大量“零件”，这是最容易理解的一步。这些零件包括氨基酸、脂类、糖等等分子。Miller设计了一个简洁的仪器来模拟早期地球环境。沸水代表着冥古宙的海洋，简单的气体混合物模拟着地球原始的大气，电火花则模拟了闪电。在这种条件下，仅仅几天后，密封仪器中无色的水就变了颜色，其中开始含有许多复杂的有机分子混合物。原本透明的玻璃变得污迹斑斑，沾满了粘稠的黑色有机污泥。
Miller-Urey实验装置简单示意图。| 图片来源：Wikicommons
Miller对这些化合物进行了分析，发现其中含有丰富的氨基酸等物质。随后，科学家在相似的条件中创造了一系列有机分子，这些实验确凿地表明，早期地球一定富含着生命的基本分子。这类实验成功建立起了一种范式，将生命的起源追溯到这样一种“原始汤”中，仿佛就是达尔文笔下的那个“温暖的小池塘”。
时间：1977年
代表论文：Clustering of Suspension-Feeding Macrobenthos Near Abyssal Hydrothermal Vents at Oceanic Spreading Centers
代表科学家：Peter Lonsdale et al.
事实上，一些科学家认为，1953年的实验在某种程度上来说是“过于成功”，以至于不少专家曾一度认为，生命起源之谜已经基本被解开了。米勒的影响力一直很大，许多“米勒派”的科学家相信，闪电带来了“原始汤”，生命就是从这样的环境中诞生。
但答案显然没有那么简单。很快，新的发现似乎为生命诞生提供了另一种方案。
全球海底热液活动区的大致分布图。| 图片来源：Wikicommons
20世纪七八十年代，科学家在不见天日的深海海底，发现了充满生命的“黑烟囱”生态系统。这里富含矿物质的流体与炽热的火山地壳相互作用，形成喷口。这些喷口喷出的热流接触冰冷的海水时，会产生矿物沉淀，就好像冒着黑烟的大烟囱。在化学能的推动下，生命在这种不见阳光、远离地球表面的地方蓬勃发展。
现在我们已经知道，这些“烟囱”广泛地分布在海底，喷口附近的生态系统丰富多彩。人们也越来越意识到，在各种极端环境中，无论在酸性的池塘，还是沸腾的火山附近，或是冰冻的极地岩层中，生命比我们想象的更顽强和丰富，许多微生物甚至依赖来自矿物的微弱化学能就可以生存。一些科学家因此提出，为什么一定要假设生命就诞生于“温暖的小池塘”呢？事实上，生命的“零件”散落在宇宙的各个角落。
时间：1982年
代表论文：Self-Splicing RNA: Autoexcision and Autocuclization of the Ribosomal RNA Intervening Sequence of Tetrahymena
代表科学家：Thomas Cech et al.
在对生命早期演化的研究中，长期以来隐藏着一个“先有鸡还是先有蛋”的问题。
现如今，所有细胞生物都在使用DNA作为遗传物质，DNA携带的遗传信息能构造出蛋白质，从而实现生物的功能。DNA编码着合成蛋白质的信息，而DNA的复制又需要蛋白质的催化——那么，哪个先出现的？在生命的早期，是如何发展出这样复杂而完整的闭环的呢？
20世纪60年代，Francis Crick提出了一种可能的猜想，其中的关键就是RNA。在生命早期，RNA可能同时作为信息的载体和催化剂。这样的猜想不无道理，RNA与DNA很相似，它们同样可以承载遗传信息，但结构比DNA更简单，似乎带着更多“原始”的影子。
在不久之后，一些关键的线索出现了。1978年，Sidney Altman首次发现RNA在一种催化反应中是必需的。1982年，Thomas Cech首次证明RNA分子本身可以起到催化作用。Cech把一个未经处理的RNA分子放入没有蛋白质的试管中后，它开始了自我剪接。也就是说，RNA分子可以将自身切成碎片，并将遗传上重要的RNA片段重新连接在一起。目前，已知的RNA酶（也叫核酶）已有百种。Altman和Cech也因此被授予1989年诺贝尔化学奖。
这些证据有可能指向，在生命早期很有可能是一个RNA世界。那时，RNA是唯一的编码分子，它们随后在自我复制中进化出了更为稳定DNA分子，并让生命迈入了蛋白质世界。但这段故事的细节目前仍然很模糊，毕竟生命分子很难留下动植物那样的化石线索。现在，还有许多研究都在追寻这种从RNA到DNA的变化是如何产生的，并希望找到最古老蛋白质的线索。
时间：1999年
代表论文：2-Methyhopanoids as biomarkers for cyanobacterial oxygenic photosynthesis
代表科学家：Roger E. Summons et al.
在探索生命起源的研究中，还有一些化合物被作为“分子标记”。比如，如果某一类化合物在活细胞之外很少出现，而在特定岩层中找到了它们的踪迹，就可以被看作是一种有说服力的生命证据。
藿烷类化合物在稳定细胞膜方面具有重要作用。| 图片来源：Wikicommons
藿烷类化合物（Hopanoids）就属于这样一类有机物。每个藿烷都有一个独特的骨架，藿烷类化合物在稳定保护性的细胞膜方面发挥着重要作用，这类物质可能是所有分子生物标记物中最具说服力的之一。
1999年，Roger Summons和团队在西澳大利亚25亿年前的黑色页岩中发现了藿烷分子变体。这里的岩石几乎没有受到过热量的改变，也没有受到地表生物或者地下水的污染，因此有可能让古老的生物分子保留下来。这些被称为2-甲基藿烷（2-Methyhopanoid）的分子只在光合蓝藻中被发现，而蓝藻是古地球上最主要的氧气制造者。
Summons认为，地球上的光合作用在25亿年前就开始了。这个年代与当时已知的氧气的增加是一致的。这项研究也为古生物学开辟了新的道路，科学家可以在保存下来的分子碎片中寻找光合作用的起源。
但对持怀疑态度的人来说，尽管样本所在的岩层条件优越，但污染仍会是个大问题。藿烷类化合物在地球上四处都是，在如此长久的地球历史中，我们并不能确定这些藿烷究竟是何时以何种方式到达那里的。
在生命起源的研究中有太多不确定性，因此类似的争论比比皆是，它们虽然看起来激烈，甚至针锋相对，但也总是很有趣，总能带来新的发现。
生命的起源只是第一步，非生命系统产生原始的生命形式，随后演化出成生物个体，并最终在地球上步入自然选择驱动的进化和多样化的轨道。这个过程经历了数十亿年，相关的研究自然也不是几篇论文就能囊括。也许有一天，我们或许能用一个更完整、更可靠的故事，最终回答生命起源的问题。但这个答案中的每一个字、每一句话的背后，一定都包含了无数的争论、推翻与重建。
参考来源：
N. H. 巴顿等，《进化》，科学出版社，2010年4月
Robert M. Hazen, The Story of Earth, Penguin Books, 2012
https://www.americanscientist.org/article/the-origin-of-life
https://www.simonsfoundation.org/life-sciences/origins-of-life/simons-collaboration-on-the-origins-of-life/critical-questions-concerning-the-origins-of-life/
https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1989/press-release/
