生命是我們地球上的奇跡，或許也是迄今為止我們所不知道的其他行星上的奇跡。生命呈現出了新層次的複雜性，因此，我們把跨越生命當作宇宙歷史中不斷增加的複雜性的第 5 道門檻。生命是物質複雜性的延伸，也意味著從惰性化學物質向活的有機體的飛躍，活的有機體以更複雜的方式組織起來，能夠從周圍環境汲取能量，能夠繁殖和自我調適，以便創造出包括我們人類在內的令人震驚的全新複雜形式（參見門檻 5 概述）。
門檻
成分 ▲
結構 ▲
金鳳花環境 ＝
突現屬性
生命
複雜的化學物質+能量。
複雜的分子通過物理和化學作用結合成可以繁殖的細胞。
大量複雜的化學物質+適度的能量流+液態媒介（比如水）+合適的行星。
新陳代謝（能夠提取能量）；繁殖（幾乎完美地自我複製的能力）；適應（在自然選擇的作用下，緩慢地變化和新形式出現）。
達爾文的自然選擇理論解釋了活的有機體如何在時間流逝中適應環境。不過，生命本身是如何從無生命物質進化而來呢？一種能夠進行新陳代謝、繁殖和適應環境的活的有機體，如何從惰性化學物質進化而來呢？達爾文並沒有嘗試回答這個問題。但在 1871 年寫給一位朋友的一封迷人信件中，他勾勒出來的一個觀念指導了此後的科學思考：與現在相比，早期地球環境很可能更有利於簡單生命形式的創造。
人們常常說，第一次產生一個活的有機體的所有條件現在已經具備，這種條件或許以往也存在過。然而，如果（哦！這是一個多麼大的假設！）設想一個溫暖的小池塘，裡面含有氨、磷鹽、光、熱和電等元素，一種蛋白〔原文如此〕化合物通過化學方式形成，為更複雜的變化做好了準備；在今天，這種物質會立刻被吞噬或吸收，它不可能存在於活的生物形成之前。１
在討論當前關於生命起源的科學思想之前，我們打算概述一些傳統的思想，以便為後面的討論提供一個背景。
關於生命起源的傳統思想
長期以來，許多文化和社會都假定，諸神或上帝通過對自然進行不可思議的干預，創造了各種生命有機體和人類。在猶太教－基督教傳統中，這種觀點在米開朗琪羅為羅馬西斯廷教堂所繪的天頂畫中得到淋漓盡致的體現。在《創造亞當》這幅畫中，上帝從天堂伸出手觸摸人類的手。由於沒有客觀可靠的證據為這種觀點提供確切日期，並且也無法驗證，因此，科學家把這種觀點視為信仰或比喻。相反，他們探尋一些能夠得到客觀證據支撐的自然主義解釋。
直到 19 世紀中期，博物學家依然相信一種被稱為自然發生說的古老觀念。這種觀念斷定，新生命能夠突然和自發地從舊生命腐爛的殘骸中出現。例如，我們都發現，蠕蟲或蛆似乎突然出現在垃圾中。人們以親眼所見現象為證據，還沒有認識到只能用顯微鏡觀察到的整個微生物世界的存在。
法國化學家和細菌學家路易·巴斯德（Louis Pasteur，1822－1895）是達爾文同時代人，他證明，生命的自然發生說是錯誤的。通過在滅菌環境下進行實驗，巴斯德證明了這一點。他表明，空氣中包含了微生物，如果與無菌水接觸，就給人一種生命自發產生的錯覺。巴斯德設法升高空氣的溫度，利用高溫殺死所有微生物；他指出，一旦空氣被殺毒消菌和密封之後，裡面就不再有生命存在，這就證明生命不可能自發地從無生命的物體產生。生命只能來自生命（用拉丁文表達，就是omnevivum ex viva）。
關於生命起源的第三種理論，被稱為胚種論或「無所不在的微生物」。這個古老的觀念可以回溯到希臘科學家阿那克薩戈拉，現在還得到一些人的信奉。宇宙學家弗雷德·霍伊爾（Fred Hoyle，1915－2001）就是胚種論最著名的支持者之一。這種理論認為，生命來源於太空，由早期撞擊地球的隕石和彗星帶來。這一理論很容易得到進一步發揮，從而產生外星人為地球帶來生命這種激動人心的故事。大多數太空科學家認為，生命無法在外太空環境生存，也不可能在穿越地球大氣層的烈焰旅程中倖存；另一方面，微小的生命如果在外來岩石內部受到保護的話，那麼，它有可能存活下來。胚種論面臨的一個基本難題在於，它並沒有解釋生命的起源，僅僅是將這個問題轉移到了其他地方。
當前一些科學家接受了一種弱化版胚種論，這種理論認為，生命的一些基本組件或構成要素可能是那些未在地球大氣層燃燒殆盡的彗星（骯髒的冰球）或隕石（撞擊地球的隕星或岩石）帶到地球上來的。我們在第 2 章已經瞭解到，地球上大量的水被認為是由彗星提供的；因此，人們很容易認為，這種水包含了形成生命的化學成分。眾所周知，一些隕石含有創造活細胞所需的某些化學物質，比如 1969 年掉落在澳大利亞默奇森的一塊隕石。其他一些隕石，比如 2000 年年初就落在加拿大育空領地（Yukon Territory）的那塊，含有泡狀有機小球體。這些發現至少證明，生命所需要的分子也存在於太空中；它們激發了科學家對外星生命的探究，同時也提出了一個基本問題，即宇宙中生命的分佈到底有多廣。
關於生命起源的現代思想
如果像巴斯德所證明的那樣，生命只能源自生命，那麼，生命最初究竟是如何源自非生命的呢？大多數科學家接受一個假定：在漫長的時間裡，分子逐漸變得更複雜，最終，生命從非生命進化而來。現存最原始的生命形式是單細胞微生物，它們非常微小，上千個才能組成一個小句號（小黑點）。它們使人聯想到地球上最早的、最簡單的生命形式的模樣。
很容易理解的是，生命開始的確切日期模糊不清。一些生物學家認為，嵌在岩石中的生命有機體的最古老化石大約有 35 億年，比如南非克魯格國家公園以及澳大利亞西北部岩石化石。其他一些人——如倫敦大學學院研究人員尼克·萊恩（Nick Lane）——認為，那些所謂的微化石事實上是自然產品，生命有機體最早的可靠化石大約為 24 億年古老。如果他是正確的，那麼，生命進化所花的時間可能比我們預想的要多許多（20 億年而不是 10 億年）。還有一些人指出，35 億年的化石屬於那些尚未進行光合作用的生命有機體。這一爭論還在繼續。
那麼，第一個活細胞——類似於當前存在的最簡單細胞——是如何具有生命的呢？現今，化學進化論假說得到生物學家的支持，這種假說認為，經過自然選擇，分子緩慢進化為氨基酸（蛋白質的基本構成元素）和核甘（核酸的基本構件）長鏈。就像生命有機體世界的自然選擇一樣，一些適應環境的化學鏈生存下來，另一些消失，最後造就了第一批活的有機體。這一進程的細節還不明確，不過，實驗室的實驗已經提供了一些線索。
20 世紀 20 年代和 30 年代早期，一位生物化學家和一位物理學家通過各自的工作，分別構想了化學進化假說。莫斯科的亞歷山大·奧巴林（Alexander Oparin，1894－1980）和倫敦的霍爾丹（J. B. S. Haldane，1892－1964）提出了相似的生命起源方案。這個方案認為，早期大氣富含氫化合物（甲烷和氨）和少量自由氧，這種環境有助於日漸複雜的有機分子的合成。霍爾丹強調指出，正在發展的生命必定來自無氧環境，因為氧氣極具活性（火就是氧化反應的例子），很可能會摧毀早期地球進化出來的一切簡單生命形式。我們由第 2 章可知，直到 25 億年前能夠進行光合作用的細菌興起，氧氣才成為大氣的重要組成部分。
現在的地球大氣和表面與早期地球的完全不同，因此，我們只得通過在實驗室模擬早期地球環境來研究早期生命是如何出現的。1952 年，在諾貝爾獎得主哈羅德·尤里實驗室工作的芝加哥大學研究生斯坦利·米勒（Stanley Miller）進行了一次重要實驗。米勒一直在思考，穿過早期大氣（一個沒有自由氧的世界）的閃電能否合成生命的原料。米勒在管子中充入他認為與早期大氣很接近的氣體，再將管子與裝了消毒水的長頸瓶接在一起，然後通電轟擊氣體，為了加速這一進程，轟擊的強度超過他所估計的早期地球上存在的衝擊。在一周之內，試管變成暗紅色，內壁有一層很薄的軟泥。經過分析，軟泥由很多種有機分子組成（這些分子包含碳－氫鍵，也存在於活的有機體之中）。這些分子至少含有 6 種氨基酸，而蛋白質就是由氨基酸組成（參見圖 3.5）。
圖 3.5 斯坦利·米勒的實驗，1952 年。
米勒是諾貝爾獎得主哈羅德·尤里的研究生，他嘗試在實驗室模擬地球的早期大氣。達爾文在 22 歲時前往加拉帕戈斯群島，就科學進步而言，年輕人似乎顯得非常重要
實驗室的這些實驗表明，簡單的氨基酸和核甘很容易在無氧的大氣中形成，下一步要做的，就是證明這些簡單化合物能夠自我組合形成更複雜的蛋白質和核酸。進一步的實驗已經證明，只要條件合適，簡單氨基酸就能夠形成由成千上萬原子構成的長鏈。許多生物學家認為，生命的出現，就需要這些原始原子中的一個碰巧發生化學進化，在這種進化過程中（至少經過 5 億年），這個原子逐漸演變成為一個充分的活細胞。不過，這種現象還沒有在實驗室中得到演示，它是這個故事最大的未解之謎之一。
細胞的化學
為了理解生命出現之際發生的化學進化，瞭解一下最簡單的活細胞的成分（基於最基礎的化學和物理學）會很有幫助。原子是化學元素的最小單位，永遠也不可能在化學反應中分裂為更小的粒子，儘管原子由更小的粒子組成。第 1 章已經做了說明，地球上存在 92 種化學元素或不同原子，它們是自然出現的。
生命的化學建立在碳原子的獨特結構之上，碳原子最常見的同位素有 6 個質子、6 個電子和 6 個中子。它能夠與其他碳原子形成長鏈，不過，每個碳原子還留有兩個位置給其他原子來依附，從而促使碳鏈折疊形成非常多樣和複雜的穩定結構。碳原子與以下五種化學元素（它們形成生命的常見蛋白質）的原子結合在一起：氫（質子和電子各 1 個）、氮（質子和電子各 7 個）、氧（質子和電子各 8 個）、磷（質子和電子各 15 個）以及硫（質子和電子皆為 16 個）。
以上對細胞做了概述；下面的內容會更詳細。最簡單的活細胞被稱為原核細胞，即沒有細胞核的細胞（參見圖 3.6）。即便沒有細胞核，一個原核細胞還是相當複雜。一層細胞膜把它的所有內容包裹起來，同時控制分子的進出。除了遺傳物質之外，原核細胞的內容被稱為細胞質；主要由蛋白質構成，而蛋白質是折疊成三維形狀的氨基酸長鏈。新蛋白質在被稱為核蛋白體的細胞質的特殊結構中合成。在原核細胞中，遺傳物質，即 DNA 分子，漂浮在可能形成細胞核的細胞膜周圍，而不是包裹在細胞膜之內。
圖 3.6 一個原核細胞的結構。
信使核糖核酸（圖中沒有展示出來）從 DNA 進入核糖體，後者依照信使核糖核酸的指令製造蛋白質
最早的細胞在何處以及如何出現？
地球上什麼地方的環境適合最早細胞的出現呢？水似乎是最有可能的場所。達爾文已經想到，細胞可能出現於一個「溫暖的小池塘」。液態水對生命來說似乎至關重要，因為原子在氣體中運動速度很快，只會短暫接觸，在固體中則很難運動。但在液體中的運動卻恰到好處；原子慢慢相互接觸，足以連接形成更複雜的分子。水可以在凝固點（即零攝氏度）以上到沸點（即 100 攝氏度）以下的溫度區間保持液態。水是由氫和氧兩種大量存在的原子構成，它也不會影響碳和其他原子形成的鍵。
現代生物學家通常認為，海岸淺水區是最有可能的場所，那裡的環境很適合生命出現。最近進行的海洋重大研究表明，另一個可能的地點是大洋深處被稱為「黑煙囪」的排氣口，它們位於海底活動板塊邊緣的火山附近，那裡存在液態水、大量熱量、能量、化學物質以及不太多的氧。喜熱的細菌（它們不依賴氧氣或陽光）在這些出氣口被發現。其中有古生菌（arhaea），即 1977 年發現的生物領域，它可以回溯到某些最古老的生命形式。一些生物學家認為，這些排氣口的熱量太多，以至於最初的細胞難以生存，或者生命的基本成分太稀少。生命最有可能起源於哪裡呢？人們現在還沒有就此達成一致。
在思考活細胞如何出現的同時，科學家也在構想更複雜的分子，它們的構成元素與活細胞一樣，結合在一起形成一層有保護膜的細胞狀球體，通過吸收其他原子和分子獲取能量，也通過分裂實現自我複製。這些原始細胞是如何精確地自我繁殖，從而保持它們已經獲得的非常有用的適應性並且進化成生命呢？這個問題還沒有得到充分回答，它也是我們理解生命出現這個問題上的一段空白。
不過，我們已經取得了一些成就，其中第一個是在 1944 年取得的，當時，有人發現遺傳物質的構成成分是核酸而不是蛋白質。1953 年，沃森和克裡克解釋了 DNA 分子的結構（前文有描述）。
DNA 控制著細胞的組合和維護，同時將信息遺傳給子代細胞。DNA 存在於每個生物體的每一個細胞中，它是核甘長鏈，核甘不同於形成蛋白質的氨基酸，也不同於形成細胞膜的磷脂。
DNA 分子是活細胞中最大、最複雜的分子；在人體中，大約 2 米長的 DNA 被壓縮在每個細胞中。DNA 聚合成染色體，含有一段 DNA 的染色體被稱為基因。基因在蛋白質中對氨基酸進行編碼。被稱為信使 RNA 的分子把基因指令輸送到核糖體，在那裡，依照基因指令，氨基酸在細胞質中合成蛋白質。
DNA 結構就像一架長長的旋轉梯（參見圖 3.7）。梯子的垂直骨架（外側）由磷酸分子和核糖分子的長鏈交替聯結。橫檔由被稱為鹼基的配對分子構成：胞核嘧啶（C）與鳥嘌呤（G）配對，腺嘌呤（A）與胸腺嘧啶（T）配對。
圖 3.7 DNA 雙螺旋結構。
在每個分子中，DNA 的形狀是一種雙螺旋結構，有性生殖細胞除外，在那裡，DNA 分裂成單螺旋，等待與另一個相應的有性生殖細胞配對
當 DNA 自我複製時，兩條互補的橫檔就會從中間斷裂。每一種鹼基只能與另外一種結合，因此，每條螺旋就可以通過另外一條推斷出來。每條螺旋從它周圍收集分子，直到精確實現自我複製，不過，偶爾也會發生錯誤或變異，這就產生了多樣性。（還會存在其他的錯誤來源，比如輻射或化學元素、基因活動以及其他變化。）DNA 的形象圖可以參見如下網頁：www.apod.nasa.gov/apod/ap120821.html。
DNA 的近親 RNA（核糖核酸）的骨架所含核糖稍有不同，它通常以單鏈形態存在。前面剛剛提到，在現代細胞中，一條信使 RNA 是從部分 DNA 複製而來，然後進入細胞質，向核糖體傳達如何合成新蛋白質的指令。RNA 早先的形狀或許可以被早期細胞用來製造蛋白質，同時它（RNA）又能夠將指令傳遞給子代細胞。如果確實如此，那麼 RNA 很可能就是 DNA 的先驅。
RNA 先於 DNA 存在的觀念，已經成為當前生物學家的主要假說；他們稱之為 RNA 世界假說（RNA World theory）。這種假說認為，儲存遺傳信息的是古代 RNA 而不是 DNA，古代 RNA 能夠像現代 DNA 那樣複製，古代 RNA 具有與現代蛋白酶一樣的催化作用。如果這種假說被證明是正確的，那麼，第一個生命形式很可能使用了 RNA 的自我複製鏈（或許位於一層保護性細胞膜之內），新陳代謝後來才出現。
為了生命的出現，兩種不同的分子必須進化出來：核酸（用於為繁殖編碼）和蛋白質的先驅氨基酸（用於新陳代謝和保養）。有待解答的問題是：它們如何相互作用以確保彼此的生存？它們發展的序列是怎樣的？
以下是一些可能的假說。或許蛋白質（新陳代謝）和 DNA 是同一時間、相互合作發展起來的。或許 RNA 率先發展，蛋白質後來才出現；或者相反。又或者 RNA 和蛋白質各自出現在單獨的原始細胞中，然後融合形成整體。無論如何，遺傳密碼（具有令人吃驚的複雜性）的起源，至今依舊是一個謎。大多數生物學家認為，最早的生命涉及到的化學現象似乎是可能的和可以預料的，如果他們能夠弄清楚它到底是什麼的話。
儘管這個問題——生命是如何出現的——依然是一個未解之謎，不過，我們由遺傳證據得知，所有生命都是從一個最初的細胞群（LUCA，露卡）進化而來，露卡促使化學現象新陳代謝和精確複製它所開創的化學優勢。我們人類與地球上所有活的有機體聯繫在一起，因為我們與它們分享著相同的遺傳密碼，自從第一個活細胞出現以來，這種遺傳密碼就在維繫和繁殖生命。這或許是我們所知道的與地球生命有關的最特別的事實。
我們也很清楚，要想有生命出現和生存，地球上的環境必須恰到好處。地球從早期的熔融狀態冷卻下來，產生一些方式驅散內部熱量。自海洋在大約 43 億年前到 20 億年前形成以來，地球再也沒有冷得讓整個表面封凍，或熱得把所有的水都蒸發掉。相反，在與地球最鄰近的金星和火星上，生命或許曾經出現過，但是，環境的急劇變化讓生命難以為繼。金星變得熾熱，因為太陽發出的熱量比最初大約增加了 30%，同時，金星大氣中的二氧化碳進一步提升了它的溫度。火星太小，不足以維持它的大氣和液態水，這些缺失很可能殺死了火星上一度存在的所有生命，如果有的話。