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合成生物学是一个新领域，但它却要回答一个古老的问题：生命是如何开始的。
一泓冰川融水汇成小溪，蜿蜒绕过深深的峡谷。在峡谷边缘，司机熄掉了他那轰轰作响的俄罗斯装甲车的引擎。我们研究小组一行——包括斯坦福大学研究生杰米和米寒，华盛顿卡内基研究所的博士后简和杰克，以及我们的向导弗拉基米尔——在经过从彼得罗巴甫洛夫斯克(Petropavlovsk)开来的5个小时旅程之后，从闷罐子车厢里爬出来，伸伸腿脚，透透气。然后，我们背起背包，踩着像房子一般大的巨石之间厚厚的冰雪，开始攀登。当我们停下来喘口气，回望山下时，我们可以清晰地看到侵蚀进山岗和河谷内、多年前喷发的火山灰和熔岩流，以及更低处散乱补丁一般的低矮灌木丛。勘察加(Kamchatka)高高低低的火山妆点着地平线。在我们头上，隐约可见的是我们的目的地：穆特瑙斯基山(Mount Mumowski)，一座几年前刚刚爆发过的火山峰。
两个小时之后。又爬上2000英尺(约609.6米)，我们已经站在火山口的边缘，驻足凝视。我们内心的震撼难以描述，在这片满是黑色和灰色的岩石四周。除了我们小组的六个人，再无其它生物。另一端的一个小冰川正在融化，流进火山口，从深深的洞底传来遥远的轰鸣声。伴随着热气升向蓝蓝的天空。地球、空气、火、水，这些远古的元素，在这里，在遥远的俄罗斯东部汇集，被我们这个星球诞生时所残留的热能所搅动。如果没有冰川，这里看上去就像一座那个时代遗留下来的废墟——地球4亿年前的模样，一切生命开始之前的模样。我们走下火山口，戴着防毒面具，以防吸进腐蚀性气体。
我在堪察加进行的野外勘察是由美国航天局资助的，我们的主要目标是更好地了解有关地球上(或许是火星上)生命起源的地球化学条件。早些时候，俄语期刊曾报道，在堪察加沸腾的温泉和火山气体中，发现了有机化合物，包括氨基酸。所有人都这么认为，生命起源需要一个有机化合物源，但是，没有人真正知道这个主要来源可能是什么。一种可能性是，那些化合物大部分是在地球历史早期，由火山区域的地球化学物合成产生的。如果我们能够在今天的火山中，探测到类似的反应，那将是一个真正的突破。
我们的第二个目的主要是为了让我心理平衡。万一我们跑了这么老远来堪察加，却没有发现任何有机化合物，那怎么办?那将会多么尴尬啊。所以，我带来了一些类似于我们所认为的那些4亿年前生命起源的化合物混合：四种氨基酸，一种脂肪酸，磷酸，甘油和核酸的四个碱基。我们知道，在实验室条件下，这些成份可以反应，生成与生命的分子结构和功能特征有关的更为复杂的化合物。我建议，把它们倒进火山池中，看看会发生什么。我的同事们大多认为。这个实验有点愚蠢，因为外在条件是如此不可控制，但我还是视其为一次实战检验。在实验室中，我们可以得到有趣的反应，但是，我们会不会忽视了某些只有在自然环境中产生反应所必须的东西呢?
共生与合成生物学
几年前，当我刚听说“天体生物学”这个词汇时，它听上去奇怪而不协调。不久，另一门新学科出现了，更加奇怪：合成生物学。但是，这正是科学进步之所在——将看似无关的学科交叉起来，传统的生物学和化学共生成为生物化学，生物学和物理学成为生物物理学。我的职业生涯开始时，做的是关于膜的传统生物物理研究，但现在，我的部分研究是由美国宇航局的天体生物学计划资助的，而我们的很多实验都可以描述为合成生物学：应用工程技术来设计或重新设计生物学功能和系统。
合成生物学领域刚刚热门起来，因为它的研究方法可能会非常强大。合成生物学家足够了解生命系统，可以像电脑程序专家随意设计软件那样。以有效的方式设计遗传程序。但是，这种高技术科学与火山和生命起源又有什么关系呢?路易斯·巴斯德(Louis Pasteur)曾经说，机遇只偏爱那些有准备的头脑。很多时候，最基础的研究可以产生做梦也想不到的应用。例如，分子生物学的最有力工具之一是聚合酶链反应(PCR)技术，用于放大DNA，也就是，多重复制某个特定序列。在PCR技术中，加热和冷却周期与DNA的合成是在聚合酶帮助下完成的，这种酶能够催化由小分子(单体)构筑大分子(聚合物)的过程。1983年，凯利-穆利斯(KaryMuilis)想出了这个主意，首先使用的是普通大肠杆菌聚合酶，但是，聚合酶必须能够在近乎沸腾的温度生存。1965年，在一项完全无关的研究中，托马斯·布罗克(Thomas Brock)发现了一种原始细菌，他将其命名为“水生栖热菌”(Thermusaquaticus)，这种细菌生活在黄石国家公园的火山温泉中。这种微生物是耐热Taq酶的原始来源，现在已经用于所有的商业PER检测装置。如果我们遵照巴斯德的建议，我们可以增加更多的此类偶然发现的机会。特别是，我们可以做好准备，将生命起源扩展进合成生物学的研究范围。我将首先描述合成生物学的自然版本，然后，我将展示一下，我们对生命分子机制越来越多的了解是如何导致出在实验室中重现生命起源的。
第一个生命：野外合成生物学
面对生命起源的问题，我们需要了解一下40亿年前地球是什么样子。有很好的证据表明，海洋已经存在了，早于生命数亿年。海洋是咸的，可能有些酸性，大量火山形成的陆地浮出海面。降水在这些岛屿上形成淡水池，因此。海洋环境不是唯一可能产生生命的环境。氛围中是二氧化碳和氮的混合物，很少或根本没有氧气，全球平均气温为60℃～70℃，远远高于今天的15℃。因此，生命最初的形式很可能像今天栖息于温泉的嗜热细菌。
生命怎么会起源于这样一个无望的环境呢?查尔斯·达尔文偶尔会思考这个问题，尽管他比较保守，不愿在公开场合猜测生命的起源。在给他朋友约瑟夫-胡克(JosephHooker)的私人信件中，他写到：“但是，如果(哈!很大的如果!)我们可以构想有一些温暖的小池塘，加上氨、磷酸盐、光、热、电等等，一种化学合成的蛋白质化合物就可能形成，并准备接受更复杂的演变。在当今，这样的东西会立即被吃掉而吸收了，但在生物形成之前，则不会这样。”在他的伟大著作《物种起源》一书中，他用一句话涉及了这个问题：“展望生命诞生之初，我们可以相信，所有的有机生命都是以最简单的结构来体现的，问题是，进化的下一步，或者说，分化是如何出现的呢?”
简单地说，生命进化的开始需要什么条件呢?首先，进化只针对群体而言，而不是针对单一的有机体。因此，我们需要找到一种方法，在生物起源前的环境中，生产大量的分子系统。然后进一步，必须在这些分子系统内，存在大量的突变。在群体中存在突变的条件意味着，有能力进化的第一个生命形式不可能是那些无法生成分离实体的复制分子们随机的混合。相反，他们应该是包裹在类似细胞之内的、能够相互作用的分子系统。
该系统应该会展现出生命的两个主要功能：生长和繁殖。 细胞生长需要吸收营养——环境中的简单分子。他们依靠能量，将那些分子连成聚合物，我们称之为蛋白质和核酸。繁殖需要一种机制，其中的遗传信息可以被存储，被复制，然后，信息以基因的形式被传递。但是，信息的传递一定是不完美的。一定数量的错误(也就是突变)必须发生，在群体中产生变异，使原始生命探索不同的特性，并开始向今天广博的地球生物圈进化。
我们说的是比现今存在的最简单的细菌还要简单得多的生命形式。然而，各种各样的细胞是如何从随机混合简单有机分子中自发产生的呢?那种景象真是令人难以置信，以至于一些科学家直截了当地表示，我们永远也不可能了解其中的真相。我却更乐观一些。但是，试图去发现生命如何起源是一项艰苦的工作，没人敢肯定我们真的能找到答案。我们需要建立并测试一些假说。愿意冒险去开拓广大的处女地。我将简要介绍一下这个旅程中的一些重要里程碑。我们只有承认他们，才可能开始勾勒一个合乎逻辑的架构，减少无谓的猜测，引导我们找到答案。
第一个里程碑：一种有机单体源
生物分子的四个基本品种是：氨基酸和蛋白质、碳水化合物，核酸和脂质。毫无疑问，类似的、甚至相同的有机物质在生物起源之前的环境中就已经存在。这是50年代斯坦利·米勒(Stanley Miller)从他那著名的实验中得出的结论，他将普通气体混合物暴露在放电环境下。观察氨基酸的形成。从那以后，几乎所有的生命碳化合物都已在模拟生物起源前环境中被合成。
1969年9月，在澳大利亚默奇森(Murchison)，模拟研究的结果被一块陨落在地球上的巨大陨石强力佐证。很明显，陨石中含有有机物质，因为其火热的表面上散发出一种奇怪的气味。40年后，当我在实验室里研磨默奇森陨石的样本时，相同的气味从陨石灰末中溢出，同时具有灰尘、油腻和酸的味道。这是一种古老的气味，比地球的年龄还大，在陨石来自的彗星或小行星中保存了50亿年。
默奇森陨石和其他被分析过的碳质陨石中，有数千种有机化合物，这证实了米勒的实验结果，表明与生物相关的有机化合物确实可以由非生物过程所产生。这使得人们有理由相信，有机化合物在生物起源前的地球上就已经存在，可能是地球化学过程合成的，也可能是由于4亿多年前陨石和彗星的坠落而带来的。
第二个里程碑：腔室和原细胞自我组装
一切现在生命的基本单位是细胞。我的研究背景是膜生物物理，在职业生涯开始，我研究的是脂膜，它们是生命细胞最基础的边界。20年前，我从默奇森陨石上得到了一块高尔夫球大小的石头，很想看看在陨石的有机混合物中，有没有什么类似脂肪的东西，或许能从中得到生命是如何成为细胞形式的答案。
在早期研究中，我常常用氯仿和甲醇的混合物来从各种生物物质中提取脂肪，这些生物材料包括血红细胞、叶绿体、线粒体，甚至蛋黄，蛋黄中富含一种被称为卵磷脂的磷脂。1975年，我把假期全耗在亚历克·班厄姆(Alec Bangham)的实验室里。60年代，班厄姆在英国剑桥附近的一家研究所工作时，发现了卵磷脂可以自发地自我组装成囊膜，或囊泡，后来被称为脂质体(liposomes)。我用氯仿和甲醇的混合物分离默奇森石块样品中的化合物，然后用色谱程序提纯那些具有自组成膜能力的成份。71页左边的图显示的是，几微克提取物在显微镜幻灯片上风干后，再与水接触，模拟地球早期频繁发生的周期性干湿环境。实验结果令人非常兴奋。混合物中不仅有类似脂肪的分子存在，而且，它们能够很轻易地自我组装成细胞大小的囊泡。
在分析陨石的有机混合物时，我们发现。部分化合物是短链脂肪酸，具有9～13个碳原子尾巴的肥皂泡状分子。这意味着，我们不再需要用宝贵的陨石材料进行试验，我们可以从化学品供应公司购买纯化合物，来研究它们的性质。我们开始研究癸酸，一种10碳脂肪酸，发现它很容易产生类似陨石提取物生产的囊泡。接下来的问题是，这种封闭结构的物质是否可以自我组装成更大的分子，进而生成原细胞?原细胞被定义为含有特定分子的封闭系统，这些分子包括核糖核酸(RNA)，它有可能作为催化剂和遗传信息的载体。这原来是那么容易，它甚至可以在高中的科学节上演示。如果微囊泡与一些像蛋白质或核酸那样的大分子混合，然后通过一个干湿循环，大约一半的大分子都会进入到囊泡里。右侧的图片显示的是，发亮的脂质囊泡，由DNA分子包围的癸酸组成。
结论是，原细胞很容易由简单的自我组装过程产生。进而来说，这种结构在生命起源前的环境中也会发生。
第三个里程碑：聚合物合成
一切现在的生命都用酶来催化聚合物的合成反应。几乎所有生命的聚合物分子(包括蛋白质和核酸)都是从化学活性的单体合成的，也就是说，它们获取能量，进行聚合，通过复杂的新陈代谢过程，从每一个单体中提取一个同样的水分子。核糖体通过肽键连接起激活的氨基酸，生产蛋白质。聚合酶催化活性核苷酸之间的酯键，产生核酸。
在生命起源之前，这种复杂的反应几乎不可能发生，但是，一系列简单的反应可以产生各种有趣的聚合物。例如，纽约伦斯勒理工学院(Rensselaer Polytechnic Institute)的詹姆斯·法里斯(James Ferns)演示了一种粘土矿物质，称为蒙脱石(montmorillonite)，它可以促进从所谓活性核苷酸合成聚合RNA的过程。矿物质表面吸附并组织核苷酸，然后压缩成聚合物。此外，一旦形成RNA分子，它们可以开始一种有限的复制过程，不需要酶的参与。索尔克研究所(SalkInstitute)的莱斯利·欧格尔(Leslie Orgel)和他的同事们在80年代演示过，化学活性单体核苷酸排列在按照沃森一克里克(Watson-Crick)碱基配对法则进行RNA合成的模板上，像它们在DNA双螺旋结构上那样，然后聚合成RNA的第二条链。
欧格尔、法里斯和其他人的重大发现明确指出，RNA可能是与生命过程有关的第一个聚合物。更多的证据是由科罗拉多大学的托马斯·切赫(Thomas Cech)和耶鲁大学的悉德尼·奥尔特曼(Sidney Altman)提供的，他俩因发现某些特别类型的RNA具有催化性能而共享了诺贝尔奖。这种RNA分子，现在被称为核酶，可以形成或打破其本身的结构中的化学键，而不必依靠蛋白质酶。催化RNA的发现导致诺贝尔奖得主、哈佛大学化学家沃尔特·吉尔伯特(WalterGilbert)提出了“RNA世界”的概念。他主张，生命的起源不是像今天的生命那样由DNA、RNA和蛋白质的复杂系统构成。相反，RNA分子可以充当催化剂，可以储存并传递遗传信息。RNA世界这一概念主宰了当今关于生命起源的理论。斯克里普斯研究所(Scripps Research Institute)由杰拉德·乔伊斯(Gerald Joyce)领导的研究小组，怀特黑德研究所 (Whitehead Institute)的大卫·巴泰尔(David Bartel)，以及西蒙菲沙大学(simon Fraser University)的彼得·昂劳(Peter Unrau)都在试图将RNA纳入一个分子的自我复制系统。值得注意的是，他们往往采用一种技术，运用进化论原则，从几万亿不同的RNA分子的混合物中，挑选出具有特殊催化活性的分子。
这把我们带到下一个里程碑。
第四个里程碑：催化剂的演化
遗传信息可以以某种随机的方式出现在随机混合物中吗?如果答案是否定的，那么我们就麻烦了。因为，我们这些研究生命起源的人认为，这正是发生在40亿年前，生命最初的形式就是从无菌的矿物混合物、大气中的气体和有机物的稀释液中产生的。提到这个问题，我来重温一下1993年大卫·巴泰尔(David Bartel)和杰克·索斯泰克(JackSzostak)发表的经典实验吧。当时，巴特尔还是索斯泰克实验室的研究生。他们的实验并不很复杂，但结果却如此的重要，值得在这里向大家解释。这个实验的目标是，看看完全随机的分子系统是否可以像具有催化性能的分子进化那样，演变进化的选择。第一步是由大约300个核苷酸随机序列地合成万亿种RNA分子。巴泰尔和索斯泰克推断，在那些万亿分子中，隐藏着少量核酶，催化了一条RNA链与第二条RNA链结合的链接反应。他们开发了一个程序，捕捉住这些少量核酶，即使它们只有很弱的催化反应。然后，他们用酶来放大它们。放大过程再经过另一轮的选择和放大，整个过程被重复10次。
结果是惊人的。增强的催化活性在4个周期后开始显现，10轮后，催化率增加了700万倍!甚至可以观查到RNA的演变。核酸可以用放射性磷酸盐标记，分离，并通过一种被称为凝胶电泳的技术被可视化。一个RNA分子的混合物被置于凝胶顶部，在数百伏特的电压作用下，这些分子通过凝胶向下移动。较大的分子移动不远，它们在凝胶顶部显示为带状。较小体积、移动较快的分子在中部和底部形成条带。实验开始时，凝胶上看不到什么，因为RNA分子各具差异性。但经过3个周期之后，不同的条带出现了，这意味着某种特定的催化物种已被选中。随着更多周期的进行，有些物种出现了几个周期，然后消失了。经过10个周期，两种不同的RNA物种生存下来，说明这两种RNA分子是催化链接反应中最有效率的。
这些结果证实了在分子水平上进化的基本原则。在实验开始时，每一个RNA分子都与其它分子不同，但随后，选择性的障碍在链接反应中形成，这些障碍只允许某些分子生存并繁殖。其结果是，特定的催化分子由一个严格按照达尔文自然选择定律的过程所生成。结论是：遗传信息确实可以在随机混合物中出现，只要混合物中含有大量不同核苷酸序列的聚合物，从中，具有催化性能的特定序列可以被选择并放大。看上去，这样的假设似乎是合理的，那就是，类似的选择过程可能在地球生命起源时同样发生了，生命的第一个形式在有机混合物中自我形成，并开始进化。
第五里程碑：组合化学及垃圾袋
大多数化学家在进行系列实验时，都会每天做一个。但是，系列实验也可以平行进行，这叫“组合化学技术”。这种技术在制药行业中尤其常见，它经常需要与大量化合物进行试验，以优化反应或测试新药物。一个机器人设备在狭小的反应室内，负载数百甚至上千种预期的反应混合物，每个小室内的一滴液体与其它小室中的略有不同。反应完成后，对每间小室的反应活性进行单独测试。
在我的实验室，我们进行了另一种组合化学实验，我们向一个烧瓶中的几毫克干油脂中加入水，乳白色悬浮液就生成了，它包含了数万亿(不是几千)的微囊泡，大小像小型细菌，直径约50微米。如果微囊泡是在含有如RNA那样的小肽链或核酸的处理液中制备的，那么，每个囊泡中就会包含一套不同的成份，从而使得每个囊泡可以代表一个不同的微实验。现在，让我们想想早期的地球。不同于烧瓶中的几毫克油脂，数以亿计的有机物会形成数量庞大的微结构，并有几亿年的时间来进行反应。
生命的起源可以被比喻为全球规模的组合化学实验。少数微实验肯定是成功了，导致了原始细胞的生成，而它们具有借助聚合反应捕获能量和营养物质的能力。当这些细胞各具独特性质并竞争资源时，进化就开始了。这时，自然选择开始起作用，按照每个特定细胞获取营养而成长的效率进行裁定。我可以想象，一旦强壮的细胞生命走上正常轨道，它会急剧繁衍扩大。大概从太空中可以看到，整个地球会被“涨红”，也许有那么短暂的一段时间，海洋被光合细菌填满而成为绿色。
我们会不断发现生命进化过程中那些成份组合吗?对此，我是乐观的。我们需要运用我们所知道的生命系统的化学和物理知识，缩小可能性，然后，勇于实践，勇于探索。但是，我们应该尝试什么实验呢?这正是理论可以指导我们的地方。我们这个时代伟大的理论物理学家之一，弗里曼·戴森(Freeman Dyson)也对生命起源很有兴趣。在他《生命起源》一书中，戴森简洁地总结了我刚刚告诉你们的事：
生命从小袋子开始，细胞的前体聚拢着少量脏水，里面是各种各样的垃圾。袋子中随机而聚的分子偶尔会带有催化剂，从而导致其它分子的合成，而这些被合成的分子又可以作为催化剂，去合成更多的分子，如此反复。随着时间的推移，一群包含足够催化剂的分子复制整个物种群的情况极少可能发生。复制并不需要精确，催化剂水平能够保持在具有粗略统计学意义就足够了。袋子里的分子们繁殖，但并不准确复制。当这种情况发生时，袋子可能由于新鲜的外来垃圾日益积累，偶尔会因为剧烈运动而分为两个袋子。关键的问题是，从具有自我复制分子群的母袋中分离出去的子袋有多大可能性同样带有自我复制的分子呢?如果这个概率大于二分之一，平均来说，一个母袋就可以产生超过一个的功能性子袋，一串连锁反应发生后，含有自我复制分子的袋子将成倍增长，某种生命就这样开始了。
生命以这种垃圾袋世界的方式开始。在这个世界中，微小的原细胞代谢并成倍繁殖，它们含有的分子并不一定完全准确地复制自己。成倍复制是一个良好的自然选择基础。一旦垃圾袋世界开始天然地繁殖原细胞，自然选择便会开始运作，以改善催化剂的质量和繁殖的精确度。所以，经过百万年的自然选择而筛选出具有现代细胞中精致化学成份的原细胞，也就不足为奇了。
下一个生命：合成细胞
像RNA世界和戴森的垃圾袋世界这样的理论概念可以启发我们去进行一些实验，由分子膜封闭起来的分子系统足以复杂到具有生命的某些属性。最终的目标是组合成一个细胞系统，它可以借助能量，通过催化聚合、遗传信息的复制和进化等一系列过程而成长。数个实验室已经启动了类似的研究，有理由相信，人造生命的目标可能在未来10年内得以实现。现在，让我来简要描述一下构建人造细胞的研究历史。
也许，首先需要明白的是，组装一个有繁殖能力的分子 系统不是什么新鲜事。50多年以前，加大伯克利分校的海因斯-弗兰克尔·康拉德(Heinz Fraenkel-Conrat)和罗布利·威廉姆斯(Robley Williams)发现了烟草花叶病毒可以被分离为外壳蛋白和RNA。如果这两个成分混合在一起，它们就重新组合成传染性病原体。更近一些，作为现代分子生物学的杰出展示，纽约州立大学石溪分校的杰罗尼莫·塞罗(Jeronimo Cello)，安尼科·保罗(Aniko Paul)和埃卡德·威默(Eckard Wimmer)用化学技术将数百个小片段合成在一起，组装了一段功能性的脊髓灰质炎病毒基因组。两年前，马里兰州克雷格-文特尔研究所的汉密尔顿·史密斯(Hamilton Smith)和他的同事们合成了一种名为生殖支原体的小菌种细菌的完整基因组。这引起了轩然大波，我们第一次面对一个从它的部件组合生产出来的活细胞，这将意味着什么呢?
病毒和细菌基因组的合成预示着更多更具挑战性的人工合成成为可能。我们早已知道，随机的自发组合过程可以生成非常复杂的功能性分子系统。70年代，在康奈尔大学工作时，埃夫拉伊姆·拉克(Efraim Racker)开创性地解剖并重组了线粒体膜。线粒体是存在于大多数细胞中的细胞器，嵌入在其膜上的酶可以移动从营养素(如葡萄糖)中代谢产生的电子。这个过程被称为电子传递，因为这些电子可以通过一连串的酶穿过线粒体的膜，送交给氧气。电子传递与第二个运输过程紧密结合，其中，由水产生的带正电的质子向外流出，产生约O，2伏特横跨膜的电位。该电压提供了三磷酸腺苷(ATP)合成的能量来源，ATP在细胞内运输化学能量，参与大部分生命过程。ATP合成的普遍机制，现在被称为化学渗透(chemiosmosis)，是于1961年由彼得·米切尔(PeterMitchell)提出的，他是一个了不起的英国科学家，后来在自己博德明(Bodmin，Cornwall)的家中继续进行研究工作。
拉克和他的学生用一种生物降解剂——脱氧胆酸(deoxycholic acid)——溶解了线粒体膜。他首先发现的是，该膜上载有耦合ATP合成并进行电子传递的酶。他将其称为一种耦合因子，但它现在被称为一种ATP合酶。拉克还发现，生物降解剂可以通过透析被去除，只需将一个类似玻璃纸材料组成的袋子中放置透明液体，然后将其放置在稀盐溶液中过夜。小降解剂分子就会从袋子中漏出来，但大分子不能通过多孔的材料。第二天，溶液呈现浑浊，因为含有原来蛋白成份的膜囊泡已经合成。囊泡有充分能力进行电子传递和ATP合成反应。这是一个非常复杂的生物功能的第一次重构。
大约在同一时间，加州大学旧金山分校的瓦泽尔·斯塔克尼乌斯(Walther Stoeckenius)对一种被称作盐生盐杆菌(Halobacterium halobium)的细菌物种的色素膜产生了兴趣，这种生物生活在极其咸的水中。斯塔克尼乌斯和戴特·厄斯特黑尔特(Dieter Oesterhelt)分离了紫色素——细菌视紫红质(bacteriorhodopsin)——并发现，它的作用是吸收光能和使用能量来运输质子跨越细菌的细胞膜。质子负载的能量然后用于合成ATP。拉克和斯塔克尼乌斯都是国家科学院的院士，他俩发起了两位资深科学家之间罕见的合作。他们用拉克的透析方法，重组了一个含有的紫色膜质子泵和线粒体ATP合酶的膜囊泡系统。1974年，他们报告说，混合囊泡可以利用光作为能量来合成ATP。他们的论文增加了证据的力度，并最终确定了三磷酸腺苷化学渗透合成，为此，彼得·米切尔于1978年获得了诺贝尔奖。
这段简短历史的意义是，一个非常复杂的生物功能可以通过分散原件的自组装过程进行重建。为什么不尝试重建一个完整的细胞呢?如果这证明是可能的，也许它会帮助我们解开我们所谓“生命”的真正意义，甚至阐明导致生命起源的重大步骤。
1999年，苏黎世的皮埃尔·罗吉·路易斯(Pier LuigiLuisi)和他的研究伙伴们第一次尝试了在脂质囊泡中组装核糖体，借助一种合成RNA，转达给核糖体由苯丙氨酸合成蛋白质的信息。一些短肽链生成了，但氨基酸不能穿透脂质双层膜，因此，合成反应仅限于那些囊泡内的苯丙氨酸。洛克菲勒大学的文森特·诺莱克斯(Vincent Noireaux)和阿尔伯特·利布沙贝(Albert Libchaber)对渗透问题有一个聪明的解决方法：为什么不在囊泡的脂质双层膜上添加一个通道呢?他们在2004年报告中说，他们成功地从大肠杆菌中分离出一个完整的传递系统，以及指导绿色荧光蛋白(GFP)和溶血蛋白合成的信使核糖核酸(mRNA)，溶血蛋白作为一个通道，允许符合外加氨基酸和ATP进入囊泡。该系统工作了长达4天，在孵化期结束时，囊泡发光了绿色荧光蛋白积累的绿色。大阪大学的四方哲也和他的研究小组则更进一步，用一个相似的传递系统，其中绿色荧光蛋白的基因表达在DNA链中。他们称其系统为遗传阶梯，绿色荧光蛋白的基因被转录成信使RNA，然后指导蛋白质的合成。
这些密封的转录系统表现出生命的基本属性：他们用遗传信息合成蛋白质，但只合成少数特定的蛋白质，其他一切留待以后。要真正存活下来，原细胞将需要一个DNA链，其中载有超过200种不同蛋白质和RNA的基因，包括聚合酶的基因，使DNA的可以被复制。催化脂质合成的酶也必须存在，因为膜的边界需要扩大。运输蛋白必须镶入脂质双层，否则囊泡得不到外部营养物质和能源。一整套的监管过程也应到位，从而使所有的成长都按部就班。最后，当囊泡增长到原来的两倍大小时，他们需要分离成子细胞，其中含有原本的遗传信息。
今天，即使最简单的生命都是惊人的复杂，不可能仅仅依靠早期地球上的几百个基因就蓬勃发展开来。肯定有些简单的生命在生物进化的几十亿年间消失在废墟里。鉴于这一切，合成生物学的最终承诺将如何得到实现呢?原始生命细胞的人工版本该如何组装呢?最好的选择可能是，一个核酶从ATP、UTP、GTP和CTP这四个RNA的核苷酸单体中，按照编码于其中的遗传信息，催化自己的全部合成反应。如果有人成功了，我们将会获得至今在人工细胞模型中仍然缺乏的本质属性：催化剂本身的繁殖。对于这样的核酶，我们已经知道如何将其纳入脂质囊泡中，这个囊泡与核酶一起生长，使营养核苷酸进入细胞以支持生长。密封的核酶将有能力进化，像巴泰尔和索斯泰克15年前证明的那样。简而言之，这个系统是活的。
然后会发生什么呢?当然，将有惊人的新闻，教科书将被改写，某天早晨，有人可能被来自斯德哥尔摩的电话吵醒。但是，当所有的喧嚣消失后，又有人会问：“哦，那又怎么样呢?”同样的问题可能在1953年DNA双螺旋结构发表时就被问过了，那个发现的重要性直到很多年后才被意识到。我认为，第一个具备自我繁殖的分子系统本身在一开始也只是被当作一次学术练习。但是，从更恰当的角度来回顾，食物、抗生素、石油、木材、甲烷和氢气都是由生命细胞产生的，而这些细胞经历了30亿年的进化。我认为，技术的下一场革命将从这里开始，生命的合成功能可以从细胞简单版本的人工设计而来，而不需经过进化。
一泓冰川融水汇成小溪，蜿蜒绕过深深的峡谷。在峡谷边缘，司机熄掉了他那轰轰作响的俄罗斯装甲车的引擎。我们研究小组一行——包括斯坦福大学研究生杰米和米寒，华盛顿卡内基研究所的博士后简和杰克，以及我们的向导弗拉基米尔——在经过从彼得罗巴甫洛夫斯克(Petropavlovsk)开来的5个小时旅程之后，从闷罐子车厢里爬出来，伸伸腿脚，透透气。然后，我们背起背包，踩着像房子一般大的巨石之间厚厚的冰雪，开始攀登。当我们停下来喘口气，回望山下时，我们可以清晰地看到侵蚀进山岗和河谷内、多年前喷发的火山灰和熔岩流，以及更低处散乱补丁一般的低矮灌木丛。勘察加(Kamchatka)高高低低的火山妆点着地平线。在我们头上，隐约可见的是我们的目的地：穆特瑙斯基山(Mount Mumowski)，一座几年前刚刚爆发过的火山峰。
两个小时之后。又爬上2000英尺(约609.6米)，我们已经站在火山口的边缘，驻足凝视。我们内心的震撼难以描述，在这片满是黑色和灰色的岩石四周。除了我们小组的六个人，再无其它生物。另一端的一个小冰川正在融化，流进火山口，从深深的洞底传来遥远的轰鸣声。伴随着热气升向蓝蓝的天空。地球、空气、火、水，这些远古的元素，在这里，在遥远的俄罗斯东部汇集，被我们这个星球诞生时所残留的热能所搅动。如果没有冰川，这里看上去就像一座那个时代遗留下来的废墟——地球4亿年前的模样，一切生命开始之前的模样。我们走下火山口，戴着防毒面具，以防吸进腐蚀性气体。
我在堪察加进行的野外勘察是由美国航天局资助的，我们的主要目标是更好地了解有关地球上(或许是火星上)生命起源的地球化学条件。早些时候，俄语期刊曾报道，在堪察加沸腾的温泉和火山气体中，发现了有机化合物，包括氨基酸。所有人都这么认为，生命起源需要一个有机化合物源，但是，没有人真正知道这个主要来源可能是什么。一种可能性是，那些化合物大部分是在地球历史早期，由火山区域的地球化学物合成产生的。如果我们能够在今天的火山中，探测到类似的反应，那将是一个真正的突破。
我们的第二个目的主要是为了让我心理平衡。万一我们跑了这么老远来堪察加，却没有发现任何有机化合物，那怎么办?那将会多么尴尬啊。所以，我带来了一些类似于我们所认为的那些4亿年前生命起源的化合物混合：四种氨基酸，一种脂肪酸，磷酸，甘油和核酸的四个碱基。我们知道，在实验室条件下，这些成份可以反应，生成与生命的分子结构和功能特征有关的更为复杂的化合物。我建议，把它们倒进火山池中，看看会发生什么。我的同事们大多认为。这个实验有点愚蠢，因为外在条件是如此不可控制，但我还是视其为一次实战检验。在实验室中，我们可以得到有趣的反应，但是，我们会不会忽视了某些只有在自然环境中产生反应所必须的东西呢?
共生与合成生物学
几年前，当我刚听说“天体生物学”这个词汇时，它听上去奇怪而不协调。不久，另一门新学科出现了，更加奇怪：合成生物学。但是，这正是科学进步之所在——将看似无关的学科交叉起来，传统的生物学和化学共生成为生物化学，生物学和物理学成为生物物理学。我的职业生涯开始时，做的是关于膜的传统生物物理研究，但现在，我的部分研究是由美国宇航局的天体生物学计划资助的，而我们的很多实验都可以描述为合成生物学：应用工程技术来设计或重新设计生物学功能和系统。
合成生物学领域刚刚热门起来，因为它的研究方法可能会非常强大。合成生物学家足够了解生命系统，可以像电脑程序专家随意设计软件那样。以有效的方式设计遗传程序。但是，这种高技术科学与火山和生命起源又有什么关系呢?路易斯·巴斯德(Louis Pasteur)曾经说，机遇只偏爱那些有准备的头脑。很多时候，最基础的研究可以产生做梦也想不到的应用。例如，分子生物学的最有力工具之一是聚合酶链反应(PCR)技术，用于放大DNA，也就是，多重复制某个特定序列。在PCR技术中，加热和冷却周期与DNA的合成是在聚合酶帮助下完成的，这种酶能够催化由小分子(单体)构筑大分子(聚合物)的过程。1983年，凯利-穆利斯(KaryMuilis)想出了这个主意，首先使用的是普通大肠杆菌聚合酶，但是，聚合酶必须能够在近乎沸腾的温度生存。1965年，在一项完全无关的研究中，托马斯·布罗克(Thomas Brock)发现了一种原始细菌，他将其命名为“水生栖热菌”(Thermusaquaticus)，这种细菌生活在黄石国家公园的火山温泉中。这种微生物是耐热Taq酶的原始来源，现在已经用于所有的商业PER检测装置。如果我们遵照巴斯德的建议，我们可以增加更多的此类偶然发现的机会。特别是，我们可以做好准备，将生命起源扩展进合成生物学的研究范围。我将首先描述合成生物学的自然版本，然后，我将展示一下，我们对生命分子机制越来越多的了解是如何导致出在实验室中重现生命起源的。
第一个生命：野外合成生物学
面对生命起源的问题，我们需要了解一下40亿年前地球是什么样子。有很好的证据表明，海洋已经存在了，早于生命数亿年。海洋是咸的，可能有些酸性，大量火山形成的陆地浮出海面。降水在这些岛屿上形成淡水池，因此。海洋环境不是唯一可能产生生命的环境。氛围中是二氧化碳和氮的混合物，很少或根本没有氧气，全球平均气温为60℃～70℃，远远高于今天的15℃。因此，生命最初的形式很可能像今天栖息于温泉的嗜热细菌。
生命怎么会起源于这样一个无望的环境呢?查尔斯·达尔文偶尔会思考这个问题，尽管他比较保守，不愿在公开场合猜测生命的起源。在给他朋友约瑟夫-胡克(JosephHooker)的私人信件中，他写到：“但是，如果(哈!很大的如果!)我们可以构想有一些温暖的小池塘，加上氨、磷酸盐、光、热、电等等，一种化学合成的蛋白质化合物就可能形成，并准备接受更复杂的演变。在当今，这样的东西会立即被吃掉而吸收了，但在生物形成之前，则不会这样。”在他的伟大著作《物种起源》一书中，他用一句话涉及了这个问题：“展望生命诞生之初，我们可以相信，所有的有机生命都是以最简单的结构来体现的，问题是，进化的下一步，或者说，分化是如何出现的呢?”
简单地说，生命进化的开始需要什么条件呢?首先，进化只针对群体而言，而不是针对单一的有机体。因此，我们需要找到一种方法，在生物起源前的环境中，生产大量的分子系统。然后进一步，必须在这些分子系统内，存在大量的突变。在群体中存在突变的条件意味着，有能力进化的第一个生命形式不可能是那些无法生成分离实体的复制分子们随机的混合。相反，他们应该是包裹在类似细胞之内的、能够相互作用的分子系统。
该系统应该会展现出生命的两个主要功能：生长和繁殖。 细胞生长需要吸收营养——环境中的简单分子。他们依靠能量，将那些分子连成聚合物，我们称之为蛋白质和核酸。繁殖需要一种机制，其中的遗传信息可以被存储，被复制，然后，信息以基因的形式被传递。但是，信息的传递一定是不完美的。一定数量的错误(也就是突变)必须发生，在群体中产生变异，使原始生命探索不同的特性，并开始向今天广博的地球生物圈进化。
我们说的是比现今存在的最简单的细菌还要简单得多的生命形式。然而，各种各样的细胞是如何从随机混合简单有机分子中自发产生的呢?那种景象真是令人难以置信，以至于一些科学家直截了当地表示，我们永远也不可能了解其中的真相。我却更乐观一些。但是，试图去发现生命如何起源是一项艰苦的工作，没人敢肯定我们真的能找到答案。我们需要建立并测试一些假说。愿意冒险去开拓广大的处女地。我将简要介绍一下这个旅程中的一些重要里程碑。我们只有承认他们，才可能开始勾勒一个合乎逻辑的架构，减少无谓的猜测，引导我们找到答案。
第一个里程碑：一种有机单体源
生物分子的四个基本品种是：氨基酸和蛋白质、碳水化合物，核酸和脂质。毫无疑问，类似的、甚至相同的有机物质在生物起源之前的环境中就已经存在。这是50年代斯坦利·米勒(Stanley Miller)从他那著名的实验中得出的结论，他将普通气体混合物暴露在放电环境下。观察氨基酸的形成。从那以后，几乎所有的生命碳化合物都已在模拟生物起源前环境中被合成。
1969年9月，在澳大利亚默奇森(Murchison)，模拟研究的结果被一块陨落在地球上的巨大陨石强力佐证。很明显，陨石中含有有机物质，因为其火热的表面上散发出一种奇怪的气味。40年后，当我在实验室里研磨默奇森陨石的样本时，相同的气味从陨石灰末中溢出，同时具有灰尘、油腻和酸的味道。这是一种古老的气味，比地球的年龄还大，在陨石来自的彗星或小行星中保存了50亿年。
默奇森陨石和其他被分析过的碳质陨石中，有数千种有机化合物，这证实了米勒的实验结果，表明与生物相关的有机化合物确实可以由非生物过程所产生。这使得人们有理由相信，有机化合物在生物起源前的地球上就已经存在，可能是地球化学过程合成的，也可能是由于4亿多年前陨石和彗星的坠落而带来的。
第二个里程碑：腔室和原细胞自我组装
一切现在生命的基本单位是细胞。我的研究背景是膜生物物理，在职业生涯开始，我研究的是脂膜，它们是生命细胞最基础的边界。20年前，我从默奇森陨石上得到了一块高尔夫球大小的石头，很想看看在陨石的有机混合物中，有没有什么类似脂肪的东西，或许能从中得到生命是如何成为细胞形式的答案。
在早期研究中，我常常用氯仿和甲醇的混合物来从各种生物物质中提取脂肪，这些生物材料包括血红细胞、叶绿体、线粒体，甚至蛋黄，蛋黄中富含一种被称为卵磷脂的磷脂。1975年，我把假期全耗在亚历克·班厄姆(Alec Bangham)的实验室里。60年代，班厄姆在英国剑桥附近的一家研究所工作时，发现了卵磷脂可以自发地自我组装成囊膜，或囊泡，后来被称为脂质体(liposomes)。我用氯仿和甲醇的混合物分离默奇森石块样品中的化合物，然后用色谱程序提纯那些具有自组成膜能力的成份。71页左边的图显示的是，几微克提取物在显微镜幻灯片上风干后，再与水接触，模拟地球早期频繁发生的周期性干湿环境。实验结果令人非常兴奋。混合物中不仅有类似脂肪的分子存在，而且，它们能够很轻易地自我组装成细胞大小的囊泡。
在分析陨石的有机混合物时，我们发现。部分化合物是短链脂肪酸，具有9～13个碳原子尾巴的肥皂泡状分子。这意味着，我们不再需要用宝贵的陨石材料进行试验，我们可以从化学品供应公司购买纯化合物，来研究它们的性质。我们开始研究癸酸，一种10碳脂肪酸，发现它很容易产生类似陨石提取物生产的囊泡。接下来的问题是，这种封闭结构的物质是否可以自我组装成更大的分子，进而生成原细胞?原细胞被定义为含有特定分子的封闭系统，这些分子包括核糖核酸(RNA)，它有可能作为催化剂和遗传信息的载体。这原来是那么容易，它甚至可以在高中的科学节上演示。如果微囊泡与一些像蛋白质或核酸那样的大分子混合，然后通过一个干湿循环，大约一半的大分子都会进入到囊泡里。右侧的图片显示的是，发亮的脂质囊泡，由DNA分子包围的癸酸组成。
结论是，原细胞很容易由简单的自我组装过程产生。进而来说，这种结构在生命起源前的环境中也会发生。
第三个里程碑：聚合物合成
一切现在的生命都用酶来催化聚合物的合成反应。几乎所有生命的聚合物分子(包括蛋白质和核酸)都是从化学活性的单体合成的，也就是说，它们获取能量，进行聚合，通过复杂的新陈代谢过程，从每一个单体中提取一个同样的水分子。核糖体通过肽键连接起激活的氨基酸，生产蛋白质。聚合酶催化活性核苷酸之间的酯键，产生核酸。
在生命起源之前，这种复杂的反应几乎不可能发生，但是，一系列简单的反应可以产生各种有趣的聚合物。例如，纽约伦斯勒理工学院(Rensselaer Polytechnic Institute)的詹姆斯·法里斯(James Ferns)演示了一种粘土矿物质，称为蒙脱石(montmorillonite)，它可以促进从所谓活性核苷酸合成聚合RNA的过程。矿物质表面吸附并组织核苷酸，然后压缩成聚合物。此外，一旦形成RNA分子，它们可以开始一种有限的复制过程，不需要酶的参与。索尔克研究所(SalkInstitute)的莱斯利·欧格尔(Leslie Orgel)和他的同事们在80年代演示过，化学活性单体核苷酸排列在按照沃森一克里克(Watson-Crick)碱基配对法则进行RNA合成的模板上，像它们在DNA双螺旋结构上那样，然后聚合成RNA的第二条链。
欧格尔、法里斯和其他人的重大发现明确指出，RNA可能是与生命过程有关的第一个聚合物。更多的证据是由科罗拉多大学的托马斯·切赫(Thomas Cech)和耶鲁大学的悉德尼·奥尔特曼(Sidney Altman)提供的，他俩因发现某些特别类型的RNA具有催化性能而共享了诺贝尔奖。这种RNA分子，现在被称为核酶，可以形成或打破其本身的结构中的化学键，而不必依靠蛋白质酶。催化RNA的发现导致诺贝尔奖得主、哈佛大学化学家沃尔特·吉尔伯特(WalterGilbert)提出了“RNA世界”的概念。他主张，生命的起源不是像今天的生命那样由DNA、RNA和蛋白质的复杂系统构成。相反，RNA分子可以充当催化剂，可以储存并传递遗传信息。RNA世界这一概念主宰了当今关于生命起源的理论。斯克里普斯研究所(Scripps Research Institute)由杰拉德·乔伊斯(Gerald Joyce)领导的研究小组，怀特黑德研究所 (Whitehead Institute)的大卫·巴泰尔(David Bartel)，以及西蒙菲沙大学(simon Fraser University)的彼得·昂劳(Peter Unrau)都在试图将RNA纳入一个分子的自我复制系统。值得注意的是，他们往往采用一种技术，运用进化论原则，从几万亿不同的RNA分子的混合物中，挑选出具有特殊催化活性的分子。
这把我们带到下一个里程碑。
第四个里程碑：催化剂的演化
遗传信息可以以某种随机的方式出现在随机混合物中吗?如果答案是否定的，那么我们就麻烦了。因为，我们这些研究生命起源的人认为，这正是发生在40亿年前，生命最初的形式就是从无菌的矿物混合物、大气中的气体和有机物的稀释液中产生的。提到这个问题，我来重温一下1993年大卫·巴泰尔(David Bartel)和杰克·索斯泰克(JackSzostak)发表的经典实验吧。当时，巴特尔还是索斯泰克实验室的研究生。他们的实验并不很复杂，但结果却如此的重要，值得在这里向大家解释。这个实验的目标是，看看完全随机的分子系统是否可以像具有催化性能的分子进化那样，演变进化的选择。第一步是由大约300个核苷酸随机序列地合成万亿种RNA分子。巴泰尔和索斯泰克推断，在那些万亿分子中，隐藏着少量核酶，催化了一条RNA链与第二条RNA链结合的链接反应。他们开发了一个程序，捕捉住这些少量核酶，即使它们只有很弱的催化反应。然后，他们用酶来放大它们。放大过程再经过另一轮的选择和放大，整个过程被重复10次。
结果是惊人的。增强的催化活性在4个周期后开始显现，10轮后，催化率增加了700万倍!甚至可以观查到RNA的演变。核酸可以用放射性磷酸盐标记，分离，并通过一种被称为凝胶电泳的技术被可视化。一个RNA分子的混合物被置于凝胶顶部，在数百伏特的电压作用下，这些分子通过凝胶向下移动。较大的分子移动不远，它们在凝胶顶部显示为带状。较小体积、移动较快的分子在中部和底部形成条带。实验开始时，凝胶上看不到什么，因为RNA分子各具差异性。但经过3个周期之后，不同的条带出现了，这意味着某种特定的催化物种已被选中。随着更多周期的进行，有些物种出现了几个周期，然后消失了。经过10个周期，两种不同的RNA物种生存下来，说明这两种RNA分子是催化链接反应中最有效率的。
这些结果证实了在分子水平上进化的基本原则。在实验开始时，每一个RNA分子都与其它分子不同，但随后，选择性的障碍在链接反应中形成，这些障碍只允许某些分子生存并繁殖。其结果是，特定的催化分子由一个严格按照达尔文自然选择定律的过程所生成。结论是：遗传信息确实可以在随机混合物中出现，只要混合物中含有大量不同核苷酸序列的聚合物，从中，具有催化性能的特定序列可以被选择并放大。看上去，这样的假设似乎是合理的，那就是，类似的选择过程可能在地球生命起源时同样发生了，生命的第一个形式在有机混合物中自我形成，并开始进化。
第五里程碑：组合化学及垃圾袋
大多数化学家在进行系列实验时，都会每天做一个。但是，系列实验也可以平行进行，这叫“组合化学技术”。这种技术在制药行业中尤其常见，它经常需要与大量化合物进行试验，以优化反应或测试新药物。一个机器人设备在狭小的反应室内，负载数百甚至上千种预期的反应混合物，每个小室内的一滴液体与其它小室中的略有不同。反应完成后，对每间小室的反应活性进行单独测试。
在我的实验室，我们进行了另一种组合化学实验，我们向一个烧瓶中的几毫克干油脂中加入水，乳白色悬浮液就生成了，它包含了数万亿(不是几千)的微囊泡，大小像小型细菌，直径约50微米。如果微囊泡是在含有如RNA那样的小肽链或核酸的处理液中制备的，那么，每个囊泡中就会包含一套不同的成份，从而使得每个囊泡可以代表一个不同的微实验。现在，让我们想想早期的地球。不同于烧瓶中的几毫克油脂，数以亿计的有机物会形成数量庞大的微结构，并有几亿年的时间来进行反应。
生命的起源可以被比喻为全球规模的组合化学实验。少数微实验肯定是成功了，导致了原始细胞的生成，而它们具有借助聚合反应捕获能量和营养物质的能力。当这些细胞各具独特性质并竞争资源时，进化就开始了。这时，自然选择开始起作用，按照每个特定细胞获取营养而成长的效率进行裁定。我可以想象，一旦强壮的细胞生命走上正常轨道，它会急剧繁衍扩大。大概从太空中可以看到，整个地球会被“涨红”，也许有那么短暂的一段时间，海洋被光合细菌填满而成为绿色。
我们会不断发现生命进化过程中那些成份组合吗?对此，我是乐观的。我们需要运用我们所知道的生命系统的化学和物理知识，缩小可能性，然后，勇于实践，勇于探索。但是，我们应该尝试什么实验呢?这正是理论可以指导我们的地方。我们这个时代伟大的理论物理学家之一，弗里曼·戴森(Freeman Dyson)也对生命起源很有兴趣。在他《生命起源》一书中，戴森简洁地总结了我刚刚告诉你们的事：
生命从小袋子开始，细胞的前体聚拢着少量脏水，里面是各种各样的垃圾。袋子中随机而聚的分子偶尔会带有催化剂，从而导致其它分子的合成，而这些被合成的分子又可以作为催化剂，去合成更多的分子，如此反复。随着时间的推移，一群包含足够催化剂的分子复制整个物种群的情况极少可能发生。复制并不需要精确，催化剂水平能够保持在具有粗略统计学意义就足够了。袋子里的分子们繁殖，但并不准确复制。当这种情况发生时，袋子可能由于新鲜的外来垃圾日益积累，偶尔会因为剧烈运动而分为两个袋子。关键的问题是，从具有自我复制分子群的母袋中分离出去的子袋有多大可能性同样带有自我复制的分子呢?如果这个概率大于二分之一，平均来说，一个母袋就可以产生超过一个的功能性子袋，一串连锁反应发生后，含有自我复制分子的袋子将成倍增长，某种生命就这样开始了。
生命以这种垃圾袋世界的方式开始。在这个世界中，微小的原细胞代谢并成倍繁殖，它们含有的分子并不一定完全准确地复制自己。成倍复制是一个良好的自然选择基础。一旦垃圾袋世界开始天然地繁殖原细胞，自然选择便会开始运作，以改善催化剂的质量和繁殖的精确度。所以，经过百万年的自然选择而筛选出具有现代细胞中精致化学成份的原细胞，也就不足为奇了。
下一个生命：合成细胞
像RNA世界和戴森的垃圾袋世界这样的理论概念可以启发我们去进行一些实验，由分子膜封闭起来的分子系统足以复杂到具有生命的某些属性。最终的目标是组合成一个细胞系统，它可以借助能量，通过催化聚合、遗传信息的复制和进化等一系列过程而成长。数个实验室已经启动了类似的研究，有理由相信，人造生命的目标可能在未来10年内得以实现。现在，让我来简要描述一下构建人造细胞的研究历史。
也许，首先需要明白的是，组装一个有繁殖能力的分子 系统不是什么新鲜事。50多年以前，加大伯克利分校的海因斯-弗兰克尔·康拉德(Heinz Fraenkel-Conrat)和罗布利·威廉姆斯(Robley Williams)发现了烟草花叶病毒可以被分离为外壳蛋白和RNA。如果这两个成分混合在一起，它们就重新组合成传染性病原体。更近一些，作为现代分子生物学的杰出展示，纽约州立大学石溪分校的杰罗尼莫·塞罗(Jeronimo Cello)，安尼科·保罗(Aniko Paul)和埃卡德·威默(Eckard Wimmer)用化学技术将数百个小片段合成在一起，组装了一段功能性的脊髓灰质炎病毒基因组。两年前，马里兰州克雷格-文特尔研究所的汉密尔顿·史密斯(Hamilton Smith)和他的同事们合成了一种名为生殖支原体的小菌种细菌的完整基因组。这引起了轩然大波，我们第一次面对一个从它的部件组合生产出来的活细胞，这将意味着什么呢?
病毒和细菌基因组的合成预示着更多更具挑战性的人工合成成为可能。我们早已知道，随机的自发组合过程可以生成非常复杂的功能性分子系统。70年代，在康奈尔大学工作时，埃夫拉伊姆·拉克(Efraim Racker)开创性地解剖并重组了线粒体膜。线粒体是存在于大多数细胞中的细胞器，嵌入在其膜上的酶可以移动从营养素(如葡萄糖)中代谢产生的电子。这个过程被称为电子传递，因为这些电子可以通过一连串的酶穿过线粒体的膜，送交给氧气。电子传递与第二个运输过程紧密结合，其中，由水产生的带正电的质子向外流出，产生约O，2伏特横跨膜的电位。该电压提供了三磷酸腺苷(ATP)合成的能量来源，ATP在细胞内运输化学能量，参与大部分生命过程。ATP合成的普遍机制，现在被称为化学渗透(chemiosmosis)，是于1961年由彼得·米切尔(PeterMitchell)提出的，他是一个了不起的英国科学家，后来在自己博德明(Bodmin，Cornwall)的家中继续进行研究工作。
拉克和他的学生用一种生物降解剂——脱氧胆酸(deoxycholic acid)——溶解了线粒体膜。他首先发现的是，该膜上载有耦合ATP合成并进行电子传递的酶。他将其称为一种耦合因子，但它现在被称为一种ATP合酶。拉克还发现，生物降解剂可以通过透析被去除，只需将一个类似玻璃纸材料组成的袋子中放置透明液体，然后将其放置在稀盐溶液中过夜。小降解剂分子就会从袋子中漏出来，但大分子不能通过多孔的材料。第二天，溶液呈现浑浊，因为含有原来蛋白成份的膜囊泡已经合成。囊泡有充分能力进行电子传递和ATP合成反应。这是一个非常复杂的生物功能的第一次重构。
大约在同一时间，加州大学旧金山分校的瓦泽尔·斯塔克尼乌斯(Walther Stoeckenius)对一种被称作盐生盐杆菌(Halobacterium halobium)的细菌物种的色素膜产生了兴趣，这种生物生活在极其咸的水中。斯塔克尼乌斯和戴特·厄斯特黑尔特(Dieter Oesterhelt)分离了紫色素——细菌视紫红质(bacteriorhodopsin)——并发现，它的作用是吸收光能和使用能量来运输质子跨越细菌的细胞膜。质子负载的能量然后用于合成ATP。拉克和斯塔克尼乌斯都是国家科学院的院士，他俩发起了两位资深科学家之间罕见的合作。他们用拉克的透析方法，重组了一个含有的紫色膜质子泵和线粒体ATP合酶的膜囊泡系统。1974年，他们报告说，混合囊泡可以利用光作为能量来合成ATP。他们的论文增加了证据的力度，并最终确定了三磷酸腺苷化学渗透合成，为此，彼得·米切尔于1978年获得了诺贝尔奖。
这段简短历史的意义是，一个非常复杂的生物功能可以通过分散原件的自组装过程进行重建。为什么不尝试重建一个完整的细胞呢?如果这证明是可能的，也许它会帮助我们解开我们所谓“生命”的真正意义，甚至阐明导致生命起源的重大步骤。
1999年，苏黎世的皮埃尔·罗吉·路易斯(Pier LuigiLuisi)和他的研究伙伴们第一次尝试了在脂质囊泡中组装核糖体，借助一种合成RNA，转达给核糖体由苯丙氨酸合成蛋白质的信息。一些短肽链生成了，但氨基酸不能穿透脂质双层膜，因此，合成反应仅限于那些囊泡内的苯丙氨酸。洛克菲勒大学的文森特·诺莱克斯(Vincent Noireaux)和阿尔伯特·利布沙贝(Albert Libchaber)对渗透问题有一个聪明的解决方法：为什么不在囊泡的脂质双层膜上添加一个通道呢?他们在2004年报告中说，他们成功地从大肠杆菌中分离出一个完整的传递系统，以及指导绿色荧光蛋白(GFP)和溶血蛋白合成的信使核糖核酸(mRNA)，溶血蛋白作为一个通道，允许符合外加氨基酸和ATP进入囊泡。该系统工作了长达4天，在孵化期结束时，囊泡发光了绿色荧光蛋白积累的绿色。大阪大学的四方哲也和他的研究小组则更进一步，用一个相似的传递系统，其中绿色荧光蛋白的基因表达在DNA链中。他们称其系统为遗传阶梯，绿色荧光蛋白的基因被转录成信使RNA，然后指导蛋白质的合成。
这些密封的转录系统表现出生命的基本属性：他们用遗传信息合成蛋白质，但只合成少数特定的蛋白质，其他一切留待以后。要真正存活下来，原细胞将需要一个DNA链，其中载有超过200种不同蛋白质和RNA的基因，包括聚合酶的基因，使DNA的可以被复制。催化脂质合成的酶也必须存在，因为膜的边界需要扩大。运输蛋白必须镶入脂质双层，否则囊泡得不到外部营养物质和能源。一整套的监管过程也应到位，从而使所有的成长都按部就班。最后，当囊泡增长到原来的两倍大小时，他们需要分离成子细胞，其中含有原本的遗传信息。
今天，即使最简单的生命都是惊人的复杂，不可能仅仅依靠早期地球上的几百个基因就蓬勃发展开来。肯定有些简单的生命在生物进化的几十亿年间消失在废墟里。鉴于这一切，合成生物学的最终承诺将如何得到实现呢?原始生命细胞的人工版本该如何组装呢?最好的选择可能是，一个核酶从ATP、UTP、GTP和CTP这四个RNA的核苷酸单体中，按照编码于其中的遗传信息，催化自己的全部合成反应。如果有人成功了，我们将会获得至今在人工细胞模型中仍然缺乏的本质属性：催化剂本身的繁殖。对于这样的核酶，我们已经知道如何将其纳入脂质囊泡中，这个囊泡与核酶一起生长，使营养核苷酸进入细胞以支持生长。密封的核酶将有能力进化，像巴泰尔和索斯泰克15年前证明的那样。简而言之，这个系统是活的。
然后会发生什么呢?当然，将有惊人的新闻，教科书将被改写，某天早晨，有人可能被来自斯德哥尔摩的电话吵醒。但是，当所有的喧嚣消失后，又有人会问：“哦，那又怎么样呢?”同样的问题可能在1953年DNA双螺旋结构发表时就被问过了，那个发现的重要性直到很多年后才被意识到。我认为，第一个具备自我繁殖的分子系统本身在一开始也只是被当作一次学术练习。但是，从更恰当的角度来回顾，食物、抗生素、石油、木材、甲烷和氢气都是由生命细胞产生的，而这些细胞经历了30亿年的进化。我认为，技术的下一场革命将从这里开始，生命的合成功能可以从细胞简单版本的人工设计而来，而不需经过进化。