地球上生命的开始是一个事件视界，我们很难看到更远的地方

生命是如何起源的？几十年来，科学家们一直在研究这个问题，他们已经开发出了巧妙的方法来试图找出答案。他们甚至利用了生物学最有力的理论--达尔文进化论来进行研究。但他们仍然没有一个完整的答案。他们击中的是世界上理论上最肥沃的死胡同。

当科学家寻找生命的起源时，他们通常从两个方向中的一个进行研究。他们通过记录生活在地球上的有机体来追溯时间，或者他们从许多假想的生命可能出现的前生命世界中的一个向前工作。

当他们向后工作时，他们会穿越化石记录，以及物种间遗传关系的分支。他们还寻找标志着生命存在于遥远过去的地球化学特征。在这条线的尽头，躺着生命中最古老的祖先。这位祖先有了一个名字：卢卡，最后一个宇宙共同的祖先。它在生物秩序中也有一个假设的性质和位置：卢卡是一个或一组微生物，地球上所有的生命都是从这个微生物进化而来的。尽管科学家，如杜塞尔多夫海因里希大学的分子生物学家威廉·马丁和他的团队，已经能够推断出卢卡基因图谱的一部分，但他们并没有完整的肖像。他们也看不到卢卡以外的东西：卢卡不一定是第一生命，科学家们也看不到在它之前可能突然出现了什么其他生命形式。归根结底，卢卡是科学家们认定的生命系统，科学家们认为，至少有一次，在某个地方，生命自发地在地球上开始了。

为了强调卢卡之前的任何生命目前都是未知的，科学家们称卢卡为系统发育视界。系统发育学是研究物种在进化过程中的遗传关系；它允许科学家追溯生命的历史。相比之下，术语“事件视界”来自天体物理学，指的是黑洞周围的阈值。超过这个阈值，逃逸速度就会超过光速。由于没有什么东西能以比光速更快的速度在太空中传播，所以没有办法目睹那里发生的任何事件。卢卡也是如此：它标志着一个没有观察者可以看到的生物边界。由于在卢卡之前没有进行系统发育分析的记录，科学家们无法追踪那里的生物记录。

然而，面对系统发育的极限，科学家们正在窥探遥远的过去，并重新推论假设的开始。“。例如，在20世纪20年代，苏联生物化学家亚历山大·奥帕林(Aleksandr Oparin)和英裔印度科学家J·B·S·霍尔丹(J B S Haldane)开始独立开发生命化学起源的理论模型，询问生命是如何从早期地球的物质中出现的。20世纪50年代，美国化学家斯坦利·米勒(Stanley Miller)和哈罗德·尤里(Harold Urey)开始在实验室测试这些假说，试图证明利用早期地球的基本化学物质，它们可以产生简单的生物分子。

首先，他们创造了一个由气体组成的环境，他们认为这些气体存在于地球早期的大气层中。然后他们让电流通过它们来模拟闪电。在这样的刺激下，它们的原始汤产生了一套简单的生物分子，包括氨基酸，这是生命的基本组成部分。

米勒-尤里的实验表明，实验者可以在实验室中创造一些早期生命的条件。然而，这一努力困难重重。首先，米勒和尤里无法模拟导致那些简单的构件形成复杂生物分子(如核苷酸)的条件，甚至不能模拟对生命至关重要的更复杂的生物分子(如蛋白质和核酸)。后来，科学家们推测米勒和尤里对他们所设想的环境的看法是错误的。从那时起，没有人从地球原始汤的基本化学物质中自发酿造出生命，生命起源的可能理论世界的数量只会激增。对于任何观看的人来说，我们似乎需要一套平行的宇宙来测试所有的替代方案。

无论科学家们在寻找生命起源的道路上走了什么路，大多数人都指望查尔斯·达尔文(Charles Darwin)在他的著作“物种起源”(1859)中的观点来帮助他们回答这一领域的关键问题。虽然达尔文不认为他那个时代的科学可以直接解释生命的起源，但他的许多想法都成为该领域进步不可或缺的一部分。例如，达尔文的比喻生命树描绘了物种随进化时间的演变，并开启了对卢卡的系统发育搜索。达尔文在“物种起源”一书中说，“地球上曾经生活过的所有有机生物可能都是从某种原始形态进化而来的，生命最初就是从某种原始形态进化而来的。”达尔文的这句话使他的同时代人接受了这一观点。

最重要的是，达尔文的自然选择理论帮助研究人员提出了假说，用来思考化学物质如何组织成生命形式的过程。自然选择，这个塑造进化的过程，告诉我们，随着种群的繁殖和变化，那些最适应环境的物种会生存下来。许多研究人员认为自然选择也可以解释无生命物质开始组织成有生命形式的过程。如果新物种是通过自然选择产生的，那么可能存在能够进化的生前化学前体--也许进化标志着生命的开始。

圣达菲研究所(Santa Fe Institute)的理论物理生物学家克里斯·肯普斯(Chris Kempes)说，使用达尔文的理论来弥合化学和生物学之间的鸿沟涉及到“以一种新的方式思考化学进化”。当代研究人员正在进行这种思考，这一事实表明进化论是多么的多才多艺。引人注目的是，1994年，美国国家航空航天局(NASA)采用了达尔文的定义来指导寻找宇宙中的生命：根据该定义，生命是一个能够进行达尔文进化的自给自足的化学系统。

随着科学家延伸达尔文进化论的理论范围，一些人问我们是否需要超越它。对肯普斯来说，进化论是研究生命起源的无价法则，但它可能不是我们需要的全部：“进化论是一条法则，”他说，“但可能还有另一条法则。”对于亚特兰大佐治亚理工学院的物理学家杰里米·英格兰来说，达尔文进化论解释了地球上生命的转变，但我们最好接受一个更普遍的理论来理解为什么物质会自发地组织成生命。事实上，解决生命起源这一难题的科学家已经深入到进化的过去，结果却远远超出了它的范畴。在这个过程中，他们开始以令人惊讶的新方式看待生活。

生活是轻松还是艰难？这个问题包含了生命起源研究中的一个悖论，从达尔文不经意间重新点燃这一探索的时候起，这个悖论就一直伴随着我们。

在19世纪末，生活看起来像是一件容易的事情。它似乎到处都是，尤其是腐烂的物质。肉上的蛆或谷物中的老鼠表明，生命的自发产生既不罕见也不奇怪。达尔文的同代人、法国生物学家路易斯·巴斯德(Louis Pasteur)决心证明这一观点是错误的。为了做到这一点，巴斯德分离了无菌的有机培养基，以表明没有任何生物从它们身上冒出来。反过来，他让生活看起来像是一件极其艰难的事情-它看起来几乎是不可能的。其结果是阻止了他的许多同时代人完全研究生命起源的问题。

然而，如果正如达尔文的同时代人越来越相信的那样，地球上并不总是存在生命，那么它至少必须自发出现一次。但怎么做呢？在20世纪中叶，当米勒和尤里试图从化学汤中预言生命时，一位来自不同理论世界的人物迷上了这一挑战。这就是物理学家欧文·薛定谔(Erwin Schrödinger)，他帮助将生命起源的研究从汤中转移到分子遗传学中。

在他的论文“生命是什么？”(1944年)中，薛定谔解释说，他之所以对生命着迷，是因为它似乎与物理学家和化学家研究的“任何一块物质”有着截然不同的行为。这并不是说生命不受物理定律的制约--它的物质和其他任何东西一样，都受同样的定律支配。根据物理定律，生命似乎令人惊讶。在封闭的物理系统中，熵随着时间的推移而增加：从统计上讲，物质变得更加无序，因为物质无序的可能性比有序的方式更多。在有生命的系统中，一些不同的东西是真实的：随着时间的推移，秩序和复杂性会增加。薛定谔想解释这一事实是如何产生的。

除了考虑我们可能需要另一个定律或负熵等概念来解释生物这一想法外，薛定谔认为，通过确定生命如何通过复制来使自己永生，可能会找到一种解释。结构形成、复制、改变和传递这些变化以产生日益复杂的结构的方式，可以通过理解他所说的“遗传物质”来解释。他认为最需要了解的是“活细胞最重要的部分--染色体纤维”，他认为这类似于“非周期晶体”。他认为，类似这样的结构可能是遗传的机制，也可能是生命保持秩序和复杂性的能力之源。

在寻找遗传物质的过程中，另一个人物提出了第二个关键的理论观点。这就是数学家克劳德·香农，信息论的创始人。在他的开创性文章“通信的数学理论”(1948)中，香农试图解释通信的基本结构，并演示信息如何以二进制形式编码和传输。对香农来说，信息是不确定性或惊喜的衡量标准。我们可能认为信息仅仅是交流的材料，但从香农的角度来看，信息是关于不确定性的交流--不确定性或惊喜越多，我们收到的信息就越多。从某种程度上说，信息是一个编码和解码系统，当然，它是分子遗传学的核心。但最近，香农将信息作为不确定性或惊喜的衡量标准的概念帮助研究人员对生命的出现进行了理论化--这一巨大的惊喜让薛定谔感到困惑。

薛定谔的遗传原理启发了詹姆斯·沃森(James Watson)和弗朗西斯·克里克(Francis Crick)，他们在化学家罗莎琳德·富兰克林(Rosalind Franklin)的数据和研究的帮助下，发现了DNA的双螺旋结构。正如他们在其里程碑式的论文“核酸的分子结构：脱氧核糖核酸的结构”(1953年)的结束语中指出的那样，DNA可以被视为所有生命的关键复制机制。正如他们所写的那样：“我们没有逃脱我们的注意，我们假设的特定配对立即表明了遗传物质可能的复制机制。”

仅仅一个多月后，他们发表了第二篇论文，名为“脱氧核糖核酸结构的遗传学含义”(1953年)。他们在那里评论说，遗传物质似乎也在传递信息。用他们的话说：“因此，碱基的精确序列很可能就是携带遗传信息的密码。”动物学家和科学史学家马修·科布(Matthew Cobb)评论说，沃森和克里克并没有完全认真对待关于信息的计算或控制论思维，这些信息活跃了香农的理论世界。但他们似乎都有一种感觉，即信息是理解任何编码和解码系统的关键。

当然，沃森和克里克的发现对进化生物学，尤其是分子生物学具有深远的意义。但是它对生命起源研究的意义是什么呢？

有了复制的机制，科学家们开始探索早期生命，如果不是第一次生命，也是从复制开始的。然而，有一个问题：DNA不可能是第一个自我复制因子--它不可能通过早期地球的化学物质自发出现。一旦形成，DNA就携带了制造蛋白质所需的信息，蛋白质完成了生命的大部分功能工作，从构建细胞到在器官之间传递信号。DNA还依赖于一种称为酶的特定蛋白质来催化反应，从而使其能够自我复制。但是早期地球上并不存在蛋白质，它们需要DNA来生产。如果DNA和自我复制蛋白都不是最先出现的，那么是什么分子开始了复制过程呢？

在20世纪60年代，科学家们开始考虑这一过程的候选者之一可能是核糖核酸(RNA)。在有生命的有机体中，RNA帮助DNA将其信息转化为蛋白质可能产生的功能产物。多年来，RNA仅仅被认为是将信息转录到DNA中的信使，从而使其密码可以翻译成功能性蛋白质。然而，早期对RNA的实验开始表明，与DNA不同，RNA也许能够执行复制所必需的两种功能，而不是一种。科学家们知道，像DNA一样，RNA可以携带信息；他们开始看到的是，像酶一样，它也可以催化化学反应。20世纪80年代，分子生物学家西德尼·奥特曼(Sidney Altman)和化学家托马斯·切赫(Thomas Cech)及其各自的研究团队在这方面取得了进展：他们独立地证明了RNA分子可以像酶一样催化反应。

在发现RNA的这种催化特性后不久，科学家们开始更广泛地接受“RNA世界”的概念-在这个世界里，RNA是一种能够催化自身信息复制的早期生命形式。然而，RNA世界受到许多问题的困扰。首先，尽管实验者可以证明RNA可以像酶一样发挥作用，但他们通常依赖外部酶来启动复制过程。此外，许多科学家现在认为RNA是如此不稳定，以至于它不能继续催化反应，不能在地球上生命前的极端温度下进化。

因此，近年来，RNA世界遇到了一些关于地球第一个复制子的对立理论。2017年，例如

RNA世界面临的挑战只是一个迹象，表明科学家们对生命的化学起源远未达成共识。事实上，缺乏共识似乎正在驱使科学家回到假设的起点，发展激进的新假设。

大约20年前，物理学家弗里曼·戴森(Freeman Dyson)在他的“生命起源”(Origins Of Life)一书中提出了一个双起源假说，来解释早期生命的两个基本过程：新陈代谢和复制。当时，重新对生命起源进行理论化的尝试成为焦点。戴森改编了微生物学家林恩·马古利斯(Lynn Marguis)的开创性工作，他发现早期的细胞生命至少结合了两种不同的有机体，形成了有核细胞。

对戴森来说，米勒和尤里开创的实验原始汤世界可以帮助科学家了解早期新陈代谢。RNA世界为复制过程提供了可能的洞察力：“第一次[代谢]开始肯定是从类似蛋白质的分子开始的，第二次[复制]是从类似核酸的分子开始的。”他将前者比作计算机硬件，将后者比作软件，他认为硬件必须是第一位的，但两者对机器都是必不可少的。戴森回忆起香农时说，生命的起源是信息处理系统的起源。

自从戴森以来，其他人也开始以不同的方式思考--更系统地、更热力学地、更普遍地思考生命可能是如何出现的。

威斯康星大学麦迪逊分校的植物学家和实验生物学家大卫·鲍姆(David Baum)强调，为了了解生命的化学起源，我们必须公平对待益生菌化学系统的巨大复杂性。正如他解释的那样：

生命起源领域的一个令人沮丧的问题是，人们经常把它作为一个单一的问题来呈现，但事实并非如此。这是一系列独立的问题。这并不是说生命突然跳过了从随机化学到具有遗传学和细胞等的系统的转变。

鲍姆解释说，在基因领域的生命起源实验中，有两个现象是关键。首先是模板化：“这样一种想法，即具有特定构建单元序列的分子可以进行反馈，间接增加该精确序列的生成。”这个过程类似于信息系统，可能是实验者可以重现的东西。第二种现象是翻译，这需要“理解RNA分子如何与蛋白质分子对话并控制蛋白质分子的序列”。相比之下，这“是复杂的、引人入胜的，远远超出了目前的实验范围”。

虽然鲍姆小心翼翼地指出了我们目前的实验局限性，但他对在实验室研究生命起源的前景并不是没有希望。他说，归根结底，任何做实验的人“都必须相信生命并不是那么稀有”。然而，这并不是说生活是一件简单的事情：“在进化过程中，容易的事情会发生，但偶尔，容易的事情会以一种奇怪的顺序积累起来，产生一些真正意想不到的东西。”在鲍姆看来，宇宙法则必然会产生生命，这似乎是可能的，但化学物质如何成为生命系统的特殊性仍然是不可预测的。我们可以说，生命的早期化学充满了香农的信息-充满了惊喜。

物理学家英格兰对事物有不同的看法。对他来说，生活一点也不令人惊讶：它自然地遵循物理定律。在他所谓的“耗散驱动的适应”假说中，宇宙法则产生了我们称之为生命的有序结构。他的理论解决了薛定谔的挑战，即解释为什么生命不遵循封闭系统中物质走向更大熵的路径，以及为什么随着时间的推移，它变得更加有序和复杂。正如英格兰在2014年的一次演讲中以及在他即将出版的书中所解释的那样，在具有强大能源的非平衡系统(如太阳)中，物质必然形成有助于耗散能量的结构。对于生物来说，为了消散能量而组织起来的最有效的方式之一就是繁殖。根据英格兰的理论，生命形式的复杂性增加，不仅是因为它们受到达尔文进化论的影响，更根本的是，因为它们必须在消散能量方面有所改进。根据英格兰的说法：“用物理学的语言思考进化可以让我们确定新的方式，通过这些方式可以出现不一定需要达尔文机制的适应。”

他说，对于其他科学家来说，比如东京地球生命科学研究所的埃里克·史密斯，研究生命的起源意味着将生物圈作为一个整体--复杂的生物系统来研究：

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