从波士顿的查尔斯河漫步不远，在哈佛医学院研究大楼七楼的蓝色玻璃幕墙后面，杰克·绍斯塔克 (Jack Szostak) 正准备重演地球上最伟大的事件。
他和他由 15 名研究生和年轻博士后研究员组成的团队正在从头开始研究生物学——距生物学诞生已有 35 亿多年了。
如果不是因为一件事，这一壮举将有资格在试管中创造生命：Szostak 的实验室不太依赖试管。来自哥伦比亚卡利的博士后 Alonso Ricardo 说：“我确切地知道它会在哪里发生。”它很可能在一个 1.5 毫升的锥形塑料离心管中，“比我的小指还小”。与第一次不同——生命是自己形成的——第二次它将得到人类智慧和实验室精密的有机化学设备的推动。
Szostak 的努力与生物学家兼企业家 J. Craig Venter 领导的另一个人造生命项目截然不同。Venter 的团队正在使用化学测序仪为现代微生物的高度进化部分制造出一系列基因。最近，他和他的同事宣布，他们已经将一个完整的基因蓝图插入另一个物种的微生物中，这个蓝图以已知微生物为模型，但从头开始构建，然后合成的 DNA 接管了该物种（SN：6/19/10，第 5 页）文特尔的最终目标是打造拥有全新且完全当代基因组的设计生物。
索斯塔克有一个更为根本的目标：展示无引导的自然事件如何首先导致地球上的生命，并展示这种情景在宇宙中无数其他地方也可能如何上演。就像一长排书的书挡一样，这两个练习将构成迄今为止进化的故事。
这位 57 岁的生物化学家在实验室长椅和工作台外整洁的角落办公室里，倾身向前，解释了一个深刻的动机：“我们希望看到的是，从最初的混乱和随机中，如何产生有用的东西。我们试图做的，理解的是，达尔文进化论是如何从化学中产生的。”如果我们能得到一个可以进化的自我繁殖的化学系统，是的，我会称之为生命。”
一个起点
绍斯塔克为该项目带来了许多工具。他已经在生物学领域留下了自己的印记，他的整个职业生涯都在研究和探索 DNA 及其近亲 RNA 的工作原理。去年 10 月，他与加州大学旧金山分校的伊丽莎白·布莱克本和巴尔的摩约翰霍普金斯大学医学院的卡罗尔·格雷德一起获得了诺贝尔生理学或医学奖。20 世纪 80 年代，他们展示了端粒（染色体末端的独特帽子）如何保护活细胞的 DNA 和基因免于降解。
佐斯塔克现已成为美国公民，他出生于伦敦，当时他的父亲驻扎在加拿大皇家空军。回国后，佐斯塔克 16 岁进入蒙特利尔的麦吉尔大学学习。19 岁时，他进入康奈尔大学攻读细胞生物学研究生。他开始深入研究遗传学。自然发表了一篇关于合成 RNA 的生物化学博士论文的摘录。26 岁时，他进入哈佛大学任教，目前是遗传学教授和霍华德·休斯医学研究所研究员。
到 20 世纪 80 年代中期，DNA 和 RNA 研究领域出现了令人振奋的消息。科罗拉多大学博尔德分校的汤姆·切赫和耶鲁大学的西德尼·奥特曼分别独立发现 RNA —— 人们认为它只是一种信使，将 DNA 基因的遗传蓝图传送到细胞机器以制造蛋白质 —— 但它还有另一项功能。它可以折叠成复杂的形状，形成一种酶，大大加快某些反应的自然速率（SN：11/27/82，第342页）。在此之前，唯一已知的酶是专门的蛋白质。生命最初如何在没有酶的情况下制造蛋白质（可能酶本身也是蛋白质）一直是个先有鸡还是先有蛋的难题。
但 RNA 可以成为一种酶（核酶），能够促进自身复制，这一发现引发了关于生命起源的新想法。切赫设想了一个早期的“RNA 世界”，生命可以迈出第一步，同时忽略生命起源前汤中漂浮的所有氨基酸。直到后来，以核酶为工具，生命才需要开发出一种遗传密码，将氨基酸串成蛋白质——逐渐将代谢任务转交给这些蛋白质。
十年前，Szostak 和当时在苏黎世瑞士联邦理工学院的 Pier Luigi Luisi 共同撰写了一篇论文，以解决一场争论。他们一直在争论生命起源的重要步骤的顺序。Luigi Luisi 倾向于先从细胞膜开始：它将原始的“原细胞”结合在一起，并保持其重要化学物质的浓缩。Szostak 认为，能够自我复制并确保其特征代代相传的遗传机制至关重要。该团队与麻省理工学院怀特黑德生物医学研究所的 David P. Bartel 共同撰写了论文《合成生命》，该论文于 2007 年发表。自然2001 年初。该论文驳斥了这种观点，认为生命一开始就需要两个条件：一个完整的细胞。第二段问道：“细胞可以简单到什么程度，还能被认为是活的？”
研究人员从概念上将它剥离得几乎为零。外面是一层均匀的膜，膜上布满了简单而普遍存在的脂质或脂肪分子。里面是几条核苷酸链，其中一些可能折叠成核酶。
“写完那篇论文后，我就想，好吧，我们把这两个想法放在一起，所以我们最好做一些实验，”绍斯塔克回忆道。
Szostak 和他的团队已经拥有一套简化的系统，可以用简单的脂质膜制造微小的空心球或囊泡。精简的遗传物质可以从当今的 RNA 的简化版本中获得。研究人员的分子显示出能够组装、复制、变异的迹象，并在自然选择的力量的引导下进行复杂的新陈代谢。
此类研究让波士顿和剑桥跻身生命起源研究的精英中心，而绍斯塔克现在则全身心投入生命合成研究。“他们无法在 2010 年完成这项工作，但如果运气好并且努力工作，在未来一两年内就可以完成，”位于圣地亚哥附近的斯克里普斯研究所的 RNA 专家杰拉尔德·乔伊斯 (Gerald Joyce) 说，该研究所是起源研究的传统强国。乔伊斯的专长是创建可以复制甚至进化的核酶系统——处于生命的边缘，但还没有完全达到。谈到绍斯塔克的工作，他说：“他们正在开发一些非常热门的化学方法。如果他们能再加速一些，生命就会开始发挥作用。一旦你点燃达尔文进化论，它就会起飞。”其他人猜测可能还需要五年或十年。绍斯塔克不会玩这个游戏，但他说：“我多大了？我想我还有时间。”
绍斯塔克也不喜欢猜测生命最初是如何发生的，然后复制它。一旦一个系统奏效，他认为这种经验将为其他方式提供线索。他不认为他的工作会解决该领域先驱者之间的一个老争论：生命首先在哪个地方扎根？“我认为它可能占据了所有地方，”他说。这些地方包括查尔斯·达尔文提出的“温暖的小池塘”，或亚历山大·奥帕林和约翰·B·霍尔丹在 20 世纪 20 年代独立提出的海洋前生命汤，或深海热液喷口，或海浪冲刷的海滩，或闪电袭击的火山，或陆地温泉或其他热点。
原始生命发挥作用
无论生命在哪里诞生，它都可能迅速迁徙到各种各样的环境中。在 4 月份发表的一篇论文中生物物理年度评论佐斯塔克和他的研究生伊泰·布丁认为，即使是最原始的生命系统一旦出现，“也存在着几乎无限的可能适应性，这些适应性将对早期细胞有益。”最近，在佛罗里达州拉斯克基金会 (Lasker Foundation) 的一次会议上，佐斯塔克在一次演讲中表示，他希望亲眼目睹他的第一批原始细胞之间展开“进化军备竞赛”，它们相互竞争，并进化出更优越的生存工具。2006 年，该基金会将其年度基础医学研究奖授予了佐斯塔克、布莱克本和格雷德（这也是拉斯克基金会成为未来诺贝尔奖得主的典范之一）。
几十年来，科学界已经知道，早期地球上肯定有丰富的生命原材料。1953 年，在芝加哥大学进行的一项著名实验中，化学家哈罗德·尤里和他的研究生斯坦利·米勒证明，当闪电般的火花照射到原始的甲烷、氨、水蒸气和氢气大气层时，会产生富含氨基酸的残留物——蛋白质的组成部分。这一发现引发了一系列实验，表明其他条件也能产生这种物质。而且不仅仅是在这里。外太空似乎也充满了生命的乐高积木。陨石中可能含有数千种有机分子，包括氨基酸。
去年年初，佐斯塔克的假设得到了进一步的重要证实，即所需的化学物质可以轻易用于第一批生命。英国曼彻斯特大学的化学家约翰·萨瑟兰和他的团队报告称，他们发现了一组自然反应，通过这些反应，核糖核苷酸（RNA 的基本单位）可以在年轻、没有生命的地球上形成。
华盛顿特区卡内基科学研究所的地球化学家罗伯特·黑森说：“几乎不可能不制造氨基酸、糖、脂质、酒精以及几乎任何你能想到的东西。有太多的东西，太多的可能性，以至于无法将其缩小到只有一个想法。”
人们坚定地认为，在 35 亿年前的某个地方，在化石记录中出现微生物生命的第一批迹象之前，大约 42 亿年前，当地球冷却并变得适宜居住时，一个囊泡包裹着几段链状核苷酸。随着更多的核苷酸渗入囊泡，这些核苷酸连接成链。而且，在无数次类似的毫无进展的事件之后，这些内部结构中的一些以核酶的形式出现，具有加速反应（包括复制）的能力。原始细胞分裂。它将原始遗传物质带入后代，偶尔的复制错误打开了进化之门。
这些步骤正是 Szostak 团队希望看到的。策略很简单——找到能够快速进行必要复制的分子。但执行起来却很困难——大自然有数百万年的历史，以及大量的池塘、泉水、海滩和海洋温泉喷口可供利用。“这是一个分子生物学项目，但实际上我们几乎是一个全职的有机化学合成操作，”Szostak 说。
该项目迄今取得的成果可以分为几个较大的任务：
膜：现代细胞膜坚韧且具有高度保护性。这些膜层布满了受体和门，不会让任何东西随意进出。它们的砖块和砂浆是磷脂分子 - 之所以这样命名，是因为其中有一个突出的磷基团，可以提供稳定性和强度。每个分子的一端被水分子吸引，另一端被水分子排斥。这种双重性格导致它们形成大致球形的两层封闭膜，亲水端全部面向外部，亲水端则塞在膜的内部接缝处。
由于更简单的膜更可能由生命出现之前的地球上的天然有机化学工厂形成，因此原始细胞计划正在研究更简单的脂质——主要是普通脂肪酸。与磷脂一样，这些更简单的脂肪酸形成双层原始细胞壁，将大分子挡在里面。但与磷脂不同的是，它们允许核苷酸（遗传物质的小构件）通过。
遗传学：制造一个可以在没有现代生命复杂的蛋白酶的情况下自我复制的系统是该项目的最大障碍，但进展是显著的。
DNA 和 RNA 由核苷酸组成。每个单位都是一个由三部分组成的分子，一端是磷酸盐，中间是糖，另一端是可变的核碱基。核碱基有各种类型 - 提供遗传密码的“字母”，还提供化学键，使一条 DNA 链与另一条 DNA 链相连，形成著名的双螺旋结构。Szostak 的团队计划将随机 RNA 或类似分子放入囊泡中，让更多核苷酸一个接一个地进入，并通过连接到第一个核苷酸，产生两条连接的 RNA 类分子链。温度振荡或化学变化会导致完整的双螺旋结构解体，然后随着新核苷酸的连接，每个双螺旋结构都会重新构建整体。
但对于正常的 RNA 来说，这个过程太慢了。里卡多正在试验与之密切相关、反应性更强、更可靠的核苷酸系统。“我们只是在这里或那里调整 RNA，改变几个原子，”里卡多说。
一种名为 TNA 的变体将 RNA 中的核糖替换为一种名为苏糖的糖。另一种变体名为吗啉 NA。这个列表还在继续，还有更多的变体有待尝试。自组装和复制正在取得进展，但尚未能够可靠而快速地复制足够长的遗传物质（几十个核苷酸单元）以折叠成长聚合物。但这些链一直在变长。
成长与进化：研究生朱婷是上海人，他是实验室的囊泡专家。几年前他加入团队时，脂肪酸脂质囊泡已经是标准。Szostak 想知道如何制作相同尺寸囊泡的溶液，并看看它们的生长速度有多快。朱婷是麻省理工学院机械工程专业的毕业生，他首先发明了一种微型分选机。Szostak 建议他详细研究膜是如何通过一步步吸收新的脂肪酸来生长的。
朱的想法更简单：他将高浓度的胶束（挤在一起的脂肪酸小球）倒入囊泡悬浮液中。他将它们放入实验室的尼康 TE2000S 倒置荧光显微镜（大到可以装满一个壁橱）中，观察到了最惊人的现象。囊泡开始扭动。它们长出看起来像蠕动的头发的东西。它们最终从圆球变成了长丝。它们的膜生长得太快，无法快速吸收液体以保持丰满。
朱很快发现，只需简单摇晃液体，就能将细丝打碎成新一代囊泡，而不会使内部内容物溢出 - 并且他已证明，当囊泡充满核苷酸时，也可以做到这一点。
进一步的研究表明，简单的酒精缓冲液可以使每根细丝形成一串珍珠状，然后自由漂浮，形成新一代。很明显，让原始细胞分裂的棘手问题可能有一个足够简单的答案：将原材料混合在一起，将细胞变成长圆柱体，然后改变湍流或化学条件来分裂这些细丝。
如果上述步骤奏效，研究小组认为有两种方法可以见证选择性的达尔文压力改变原始细胞的行为。因为只有原始细胞能够进化，它们才有资格成为活细胞。
近年来，实验室发现，当囊泡中的核酸聚合物堆积到足以压垮细胞壁的程度时，细胞膜会贪婪地吸收任何漂浮的脂肪酸。内部生长最快的细胞会与其他细胞竞争，占据大部分可用脂质，最终消灭竞争对手。因此，内部的任何随机变化，可以加快核酸复制速度的新兴核酶都会在进化群体中迅速传播。
或者，另一个达尔文式的场景可能是核酶的随机发展，能够将磷脂（现代膜的成分）添加到外部脂肪酸膜上。结果将是比其他细胞更稳定的结构，也能够更顽强地抓住它们获得的任何脂肪酸。同样，那些拥有最先进膜的细胞将占主导地位——在一定程度上。
Szostak 表示，这种情况有一个转折点。如果磷脂比例过高，就会阻止小核苷酸进入，导致遗传机制无法获得新材料。
细胞的解决方案是找到一种方法，在膜上设置门或孔，让新的核苷酸进入。如何实现这一点还只是猜测。但 Szostak 确信，只要有足够的时间和足够的试验，用他的一般公式制成的原始细胞几乎肯定会进化出新的特性，使它们比其他细胞更具优势。当这种情况发生时，Szostak 可能最终会看到，从最初的混乱和随机性中，一些有用的东西是如何出现的。
