现在的生命系统有着复杂的构造和功能。细胞由细胞膜包裹，内部的细胞核中，含有储并传递遗传信息的 DNA 分子。DNA通过 RNA 中介实现基因表达，核糖体再将将遗传密码翻译成蛋白质，蛋白质具有特定三维结构和生物功能，作为酶能催化成千上万种生化反应，形成精细调控的代谢网络，用于获取能量，并合成生命所需分子。

然而，我们对于驱动生命运行的这些复杂分子系统，如遗传密码、复制机制、代谢网络等等，究竟是如何演化出来的，仍然知之甚少。其中的核心问题悬而未决，例如遗传信息与代谢网络究竟哪个先出现？核酸还是多肽率先产生？是物理环境驱动更关键，还是分子自催化更优先？

尤其是遗传密码的起源，我们不仅不清楚其出现原因，也不了解演化背后的物理、化学与生物学机制。遗传物质的复制、遗传信息的存储与传递，以及蛋白质的翻译，这三大系统如何逐步演化并协同运作，仍属未知。与此同时，原始细胞如何出现，又如何塑造生命演化路径，以及病毒的起源，这些根本性问题，依然是现代生物学的核心空白。

现代生命普遍遵循“DNA→RNA→蛋白质”的信息传递路径，这被称为分子生物学的中心法则。这种有序的信息流暗示，生命在早期可能已演化出一种能够稳定存储并传递遗传信息的核心分子系统，唯有如此，后续逐渐增加的复杂性才有了可能。

由于核酸和蛋白质同时随机产生并形成协作关系的可能性极低，因此科学界倾向于认为，生命并非从DNA、RNA 和蛋白质的合作开始，而是经历了一个以 RNA 为核心的阶段——即 “RNA世界” 假说 [8]。

这一假说认为，在 DNA 和蛋白质出现之前，RNA 分子既能够储存遗传信息，又具备催化化学反应的能力，甚至可能具备有限的自我复制功能，因而足以作为早期生命的主要分子。核酶（能催化反应的 RNA）[9] 和核开关（能感应小分子并调控基因表达的 RNA 结构）[10] 的发现，以及实验室中成功构建出能复制 RNA 片段的人工核酶 [11]，这些重要的实验证据支持了”RNA 世界”的假说。

“RNA 世界”假说为解释 “先有核酸还是先有蛋白” 提供了框架，但仍存在多重挑战：RNA 链的聚合与高保真复制非常困难且产物易水解，并且 RNA 复制酶从未在自然界中被发现；现代生物中 RNA 独立催化功能也极为罕见；同时，RNA 的信息容量和低催化效率不足以支撑翻译体系。此外，如果 RNA 世界曾真正繁荣，其催化功能和复制体系应当留下明显演化痕迹，但中心代谢几乎无 RNA 催化作用，不完全符合演化的连续性原则。

生命起源研究长期受还原主义和基因中心主义影响，强调基因型先于表型，即遗传信息先于功能表现。 RNA 世界假说正是受到这一思路的影响，但也被认为忽略了早期生命可能依赖更复杂的分子网络与代谢体系的可能性。

与“遗传信息优先”假说相反，“代谢优先” 理论则强调生命最初起源于能量驱动下自发的化学反应网络 [12]。

这一思想由戴森（Freeman Dyson）和考夫曼（Stuart Kauffman）等人提出 [13-14]，其核心是“自催化集合”：一组分子通过化学反应生成的产物可催化自身或网络中其他组分的形成，从而构成一个自我维持的循环系统。

初始阶段的简单反应可逐步生成更复杂的分子，推动网络扩展，并产生如氨基酸等可识别的有机物。随着网络复杂化，可能催生原始的遗传分子；随后，这些系统被脂质膜包裹，实现物质的浓缩与保护。

考夫曼进一步提出，当系统内成分达到一定规模后可发生分裂，形成两个相似的子系统，从而实现原始的复制与演化 [15]。

“代谢优先” 假说将生命起源的焦点转向能量与物质的早期化学过程，得到了大量体外实验及地质、地球化学和系统基因组学证据的支持。例如，地质与地球化学研究发现，深海热液喷口提供稳定的能量梯度，可驱动这些前生物化学循环 [16]。系统生物学与基因组分析显示，现代核心代谢网络高度保守 [17]。

关于生命的起源，除了“遗传信息优先”和“代谢优先”假说，还存在另一种观点，即“区室化优先”理论。该理论认为，生命的起源始于能够浓缩分子的原始区室 [6]，例如早期海洋中的液滴或热液喷口处的硫化铁气泡。这些微环境可有效富集有机分子，为关键的生化反应提供相对隔离且高效的反应场所。

尽管现代细胞依赖结构稳定的脂质双分子层作为边界，但原始区室的膜结构可能由多种脂肪酸组成的复杂混合物构成。这类原始膜虽更贴近前生命环境的实际条件，却普遍存在寿命短、稳定性差等问题。因此，“区室化优先”理论在逻辑上具有合理性，但仍面临长期稳定性与自发形成机制的挑战，尚需更多实证研究加以验证和完善。

1871年，达尔文在写给植物学家约瑟夫·胡克（Joseph Hooker）的信中推测，生命或许起源于一个“温暖的小池塘”——其中存在氨盐、磷盐、光、热量、电能等各种化学和能量条件，在这样的环境下，有机分子可能自发结合，逐渐形成更复杂的化合物，并最终走向生命 [18]。

此后，一系列的工作深化了这一思路。上个世纪 20 年代奥帕林（Alexander Oparin）和霍尔丹（John Haldane）提出的“原始汤”假说，即早期地球上还原性环境中的简单无机物在能量驱动下生成有机分子，并在水体中逐渐积累和复杂化 [19]。 1953 年，米勒（Stanley L. Miller）和尤里（Harold C. Urey）将温水与水蒸气、甲烷、氨气和分子氢的混合物结合，并施加模拟闪电的大气电火花，生成了包括氨基酸在内的简单有机分子。琼·奥罗（Joan Oró）则在 1959 年实现核酸碱基腺嘌呤的非生物合成，进一步支持了生命分子可在前生命条件下自发形成的假说 [21]。

一个核心问题随之浮现：在原始环境中，一旦作为蛋白质“原料”的氨基酸生成，它们是如何连接成肽链的？

在现代生物中，这一过程由核糖体完成：氨基酸首先被连接到转运 RNA（ tRNA） 上，随后在核糖体的催化下逐步组装成多肽链。其中关键的一步是氨基酸必须与 RNA 形成共价连接。然而，这一反应在没有酶催化的条件下，难以在水环境中高效且具有选择性地进行。

这就构成了一个 “鸡与蛋” 悖论——负责催化这一过程的酶，本身又必须依赖核糖体才能合成。这一循环依赖关系凸显了生命起源过程中，遗传系统与代谢功能如何协同出现的根本难题。

在讨论氨基酸如何聚合成肽链之前，首先需要解决的关键步骤是氨基酸的 “激活”。氨基酸不会自然地拼接成蛋白质，因为缩合反应需克服较高的能量屏障。在现代生命体系中，这一问题通过 ATP 等高能分子驱动，以及氨酰-tRNA 合成酶等酶促过程得以解决；而在前生物环境中，则必须依赖化学活化剂的催化，使氨基酸先形成高能中间体，才能有效缩合。

自20世纪70年代以来，许多研究小组尝试在模拟早期地球环境的条件下合成氨酰-RNA [22-24]，但这些反应往往效率低下，且生成的氨基酸衍生物在水中不稳定，容易引发副反应，比如引发无控聚合。

今年 8 月 27 日发表在《自然》上的一篇论文给出新的洞见 [25]。伦敦大学学院的马修·鲍纳（Matthew Powner）团队在反应中引入了能量丰富的硫醇类化合物，例如生命体中至关重要的泛硫乙胺（pantetheine），氨基酸随即与之反应，生成一种称为“氨基酸硫酯”（aminoacyl-thiol）的活性中间体，可进一步与双链 RNA 3‘ 末端的 2’,3‘ -二醇发生反应，生成结构稳定的氨酰-RNA。这一过程可在 pH 中性的水环境中发生，无需现代酶。

更进一步，这些氨酰-RNA 上的氨基酸还能在含硫化氢和硫代酸的环境中连接成肽链。这一过程也是在 pH 中性的水环境中完成的，这几个步骤展示了从氨基酸到原始蛋白的可能化学途径。

简单来说，研究人员在中性 pH 值的水溶液中加入了早期地球可能有的含硫的小分子，氨基酸先和它们结合，变成一种“高能中间体”。这种中间体再去找 RNA，最后比较稳定地连在了 RNA 上。在中性含硫环境中，连在 RNA 上的氨基酸还能进一步形成短肽链，整个过程简单且自发进行，完全有可能在早期地球上自然发生。

研究人员在论文中提到：“ 我们推测，实现选择性 RNA 氨酰化的突破口可能在于采用更温和的活化策略。” 这一 “温和的活化策略” 即是指以 “氨基酸硫酯” 作为活化中介。并且，当鲍纳团队尝试将氨基酸硫酯与单链 RNA 反应时，氨基酸会随机、混乱地连接到 RNA 的各个位置。但当他们使用双链 RNA 时，反应生成了结构与酶催化产物高度相似的活化氨酰-RNA。

尽管形成的肽仍是随机序列，无法实现现代遗传的精确编码，但研究发现某些RNA对特定氨基酸存在轻微偏好，提示序列选择的雏形可能已在早期出现。

泛硫乙胺参与细胞内许多代谢反应，并可能在早期地球的湖泊环境中自然形成。硫化氢和硫代酸在早期地球环境中也很可能广泛存在。而硫酯，作为中心代谢中的关键化学键，驱动着脂肪酸、聚酮以及非核糖体肽合成等多种合成代谢途径，也在生物化学中具有深远的演化根源，甚至早于地球上所有生命的最后共同祖先（LUCA）。诺贝尔奖得主克里斯蒂安·德迪夫（Christian de Duve）曾提出 “硫酯世界” 假说 [26]——这是一种“代谢优先”理论，认为硫酯可能是原始能量载体。

尽管氨基酸选择的特异性这一关键问题尚未完全解决，但这项研究无疑正在弥合生命起源领域中 “遗传信息优先” 与 “代谢优先” 两大学派间的长期分歧。它为我们勾勒的前生物化学图景提供了一条全新而令人信服的路径，证明了 RNA 与蛋白质的共生关系可能始于一系列优雅的化学反应，而非复杂的酶系统。

数十亿年前生命诞生的原始场景无法回溯，但科学家们通过精密的实验室模拟，正一步步揭开生命从简单分子走向复杂系统的可能路径。这一过程，正是我们不断逼近从化学到生物学的关键跃迁时刻的见证。