解释从简单的化学物质到复杂的生物体的孤立步骤是不够的。着眼于大局可能有助于弥合这个支离破碎的研究领域的裂痕。

生命起源是科学中最大的挑战之一。它超越了传统的学科界限，然而数代以来人们一直尝试在这些界限内探索它。不足为奇的是，这些传统强调了问题的不同方面。或者更确切地说，是多个问题。生命的起源实际上是从最简单的前生物化学到第一个能够繁殖的细胞的连续体，这些细胞由基因编码的分子机器构成——像核糖体这样的在所有细胞中都能找到的蛋白质构建工厂。大多数科学家同意这些纳米机器是选择的产物——但选择的是什么、在哪里以及如何？

关于应该寻找什么，或者在哪里寻找，并没有共识。甚至也没有一致意见认为所有生命都必须基于碳——尽管地球上已知的所有生命都是如此。陨石是从外太空带来细胞还是有机物质？生命是在陆地上的热水系统中开始的，还是在深海中？单凭观察无法限制这些可能性。暗示早期生命的少数地质痕迹是谜一样的。类似细菌的印记真的是化石，还是某种地球化学结构？矿物表面微弱的碳同位素特征是生命的指纹（生命会积累较轻的碳-12），还是另一种化学活动的结果？基因直接上也无济于事。比较现代生物体的基因序列可以让研究者重建一棵追溯到一些最早拥有基因的细胞的“生命树”。尽管这个祖先群体的确切遗传构成存在争议，但按定义它已经具有基因和蛋白质，因此无法告诉我们它们是如何出现的。所有这些都没有阻止我们对生命起源的理解，但这确实使得竞争假设难以明确证明或反驳。再加上这个问题的至关重要性，就不难理解为什么这个领域充满了过度主张和反主张，这反过来又扭曲了资金、关注和认可。这种背景使该领域分裂。几十年来，围绕能量和碳的来源、是否需要光以及选择是否作用于基因、化学网络或细胞等基本问题，截然相反的观点共存。为了理解生命可能如何开始，研究人员必须停止挑选最美丽的数据片段或最表面上令人信服的孤立步骤，并探索这些深层差异的含义。根据起点的不同，每个假设都有不同的可测试预测。例如，如果生命始于陆地上的一个温暖池塘，那么从前生物化学到带有基因的细胞的一系列步骤与如果第一批细胞出现在深海热液喷口所必须假设的步骤截然不同。构建连贯框架——在这个连续体中所有步骤都相互契合——对于取得实质性进展至关重要。为了说明原因，我们在这里突出了两个最著名的框架，它们提出了生命起源的完全不同的环境。

前生物汤

大多数人听说过前生物汤。这部分是因为这个假设基于最适合制造生命物质的许多构建模块的化学原理。在这个观点的现代版本中，有机分子的合成始于氰化物的衍生物，由紫外线辐射激活。这种化学反应可以高产率地产生相关产物，如基因的核苷酸构建模块——尽管不同的反应在不同的环境中发生，从实验室模拟的大气环境到地热池塘和溪流^1。这些氰化物从哪里来？陨石撞击可能是一个来源，但地质学家对此几乎没有共识。这种方法也没有解释“物质储备……在条件变化时如何变成生命”^2。也就是说，在不同条件下形成的化合物如何能长期存在（可能数百万年），然后以某种方式聚集在一起并自组装成生长中的细胞。这个框架假设核苷酸集中在一个小池塘中。为了形成RNA，最简单且最多功能的遗传物质，核苷酸必须聚合。这最容易通过使它们干燥来实现（聚合是一种脱水反应）。

支持者想象了一系列湿-干循环，在循环中，池塘干涸形成RNA的聚合物，然后再次充满含有更多核苷酸的水等等，循环往复，制造越来越多的RNA^3。但这个概念提出了一些棘手的问题。它将重点放在了一个“RNA世界”，在这个世界中，RNA既作为催化剂（类似于酶）又作为可以被复制的遗传模板。问题是，几乎没有证据表明RNA能催化许多被归因于它的反应（如代谢所需的那些反应）；而且复制“裸露”的RNA（即未封装在细胞等隔室中的RNA）更有利于最快复制的RNA链。这些RNA远非建立复杂性，反而会随着时间的推移变得更小、更简单。更糟的是，通过定期将一切干燥，湿-干循环不断形成随机组合的RNA（实际上是随机化的基因组）。最好的组合，恰好编码多个有用的催化剂，会因为下一代的重新随机化而立即丢失，从而阻碍了进化构建新奇性所需的“垂直继承”。

如果在干燥的池塘中对RNA的选择能够以某种方式产生更大的复杂性，它必须实现什么？为了制造生长和繁殖的细胞，RNA必须编码代谢：维持所有细胞存活的数百个反应的网络。现代代谢反应与该模型中制造核苷酸的氰化物化学没有任何相似之处。因此，进化需要替换代谢中的每一个步骤，而且没有证据表明这种全面的替换是可能的。与进化眼睛的过程不同，在这个过程中中间体具有功能，仅编码代谢途径的一半步骤（或自由生活细胞所需途径的一半）几乎没有什么好处。能否一次出现编码多条代谢途径的基因？这种可能性如此之小，以至于天体物理学家弗雷德·霍伊尔曾将其比作龙卷风穿过废品场组装出一架大型喷气机。

仅仅反驳进化会找到一种方法是不够的：一个真正的解释需要具体说明如何做到。总的来说，我们会说，从前生物化学以氰化物开始可以产生生命的构建模块，但这个框架预测的大多数下游步骤仍然存在问题。

深海热液系统

我们偏爱的假设是，生命的化学反映了生命起源时的条件，即早期地球上的深海热液系统。概括来说，这意味着像二氧化碳（如今细胞中碳的几乎普遍来源）和氢气这样的气体滋养了一个具有类似代谢拓扑结构的反应网络。基因和蛋白质在这个自发的原始代谢过程中产生，并促进物质通过网络流动，导致细胞生长和繁殖。这里也有很多问题，但它们与前生物汤框架中的问题不同。

第一个问题是氢气和二氧化碳并不是特别活跃——实际上，它们的化学反应几十年来一直被忽视，尽管对绿色化学的兴趣日益增长正在改变这一点。但深海热液喷口是相互连接的孔隙迷宫，它们的拓扑结构类似于细胞——外部酸性，内部碱性。这些孔隙从外部到内部的质子流动可以驱动工作，就像今天细胞中向内的质子流动可以驱动二氧化碳固定一样。过去几年的研究显示，这些条件可以驱动羧酸和长链脂肪酸的合成，这些酸可以自组装成由脂质双层膜界定的类似细胞的结构。

但许多化学家对这样一个观点感到困惑：在没有酶作为催化剂的情况下，热液流动能否驱动大量反应通过一个预兆着代谢的网络，从二氧化碳一直到核苷酸。化学家Leslie Orgel曾经将这一情景斥为“诉诸于魔法”。当然，需要进一步的数据来支持或反驳。现在已有多种步骤被证明可以在核心代谢途径中自发进行（如三羧酸循环和氨基酸生物合成），而不是由酶驱动，但这还远未证明整个网络的流动。聚合是另一个障碍。核苷酸已在矿物表面上的水中聚合，但这引发了与湿-干周期类似的问题，即选择如何作用。如果通过在生长中的原细胞内部聚合核苷酸来解决问题，那么矿物表面将不会可用。那么聚合需要在类似细胞（水凝胶）条件下发生，但没有酶。如果在那些条件下认真尝试合成RNA失败，整个框架将需要被修改。

位于大西洋失落城热液田的一个13米高的碳酸盐烟囱。图片来源：华盛顿大学的Deborah Kelley和Mitch Elend。

相反，如果这些棘手的问题得到解决，那么热液情景提供了一条通往遗传信息出现的有希望的途径，克服了Hoyle的大型喷气机论点。遗传密码中的模式表明氨基酸与编码它们的核苷酸之间存在直接的物理相互作用，特别是对于那些最容易通过代谢形成的。这样的关联意味着随机的RNA序列可以作为模板，用于非随机的肽，这些肽在生长的原细胞中有功能。最初的基因不必编码代谢，而只需增强通过自发原始代谢的物质流动——例如，通过使氢气和二氧化碳之间的反应成为可能。因此，简而言之，这两个框架具有不同的优势和劣势，现在下结论认为它们中的任何一个都不成立还为时过早。

研究结果正确但不重要

同样深入的问题也适用于其他生命起源的情景。如果有机分子是从太空中传递过来的——例如，在碳质球粒陨石中，如默奇森陨石——那么它们是如何以及在哪里聚集在一起的，它们是如何聚合的，等等？从太空中传递有机物只是为汤料提供了原料，并没有解决大多数下游问题——还有一个进一步的问题是，这种传递方法不太可能在特定位置可靠且一致。如果生命最初是以被称为共缩体的液滴形式开始的，其中不混溶的液体分离成不同的相，促进不同类型的化学反应，那么人们必须问，所有前体物是如何供给它们生长的。这些分相的液滴是如何演变成具有不同拓扑结构的细胞的，其中这些不同的化学反应现在大多在水凝胶条件下发生？

关于“共晶冻结”（其中生长中的冰晶浓缩周围的汤料）以及层状矿物或火山岩（如玄武岩或漂浮的浮石）中的孔隙，它们催化有机合成，也可以提出类似的问题。所有这些情景的片段都是“真实的”，因为每个快照时刻都有实证支持。

但是，能够通过将电放电通过木星混合气体来制造氨基酸，就像美国化学家斯坦利·米勒70年前所做的那样，并不意味着这就是生命起源的方式——仅仅意味着这种化学是可能的。同样，类似的化学可以在热液系统中发生，或者在地球地热系统中由氰化物发生，或者在星际空间中发生，这并不意味着所有这些环境都是生命开始所必需的，仅仅是这种化学在许多条件下是有利的。问题总是：接下来会发生什么？如果这些情景中没有一个是“错误”的，那么在这个领域中就有空间去追求多种框架。没有人需要放弃他们偏爱的立场（至少现在不需要）。但是，如果没有更广泛框架的背景下，对生命起源的突破性进展的鲁莽宣称是无益的噪音。只有认真对待整个问题，这个问题才能最终得到解答。

寻找起始点同样深入的问题也适用于其他生命起源的情景。如果有机分子是从太空中传递过来的——例如，在碳质球粒陨石中，如默奇森陨石——那么它们是如何以及在哪里聚集在一起的，它们是如何聚合的，等等？从太空中传递有机物只是为汤料提供了原料，并没有解决大多数下游问题——还有一个进一步的问题是，这种传递方法不太可能在特定位置可靠且一致。如果生命最初是以被称为共缩体的液滴形式开始的，其中不混溶的液体分离成不同的相，促进不同类型的化学反应，那么人们必须问，所有前体物是如何供给它们生长的。这些分相的液滴是如何演变成具有不同拓扑结构的细胞的，其中这些不同的化学反应现在大多在水凝胶条件下发生？关于“共晶冻结”（其中生长中的冰晶浓缩周围的汤料）以及层状矿物或火山岩（如玄武岩或漂浮的浮石）中的孔隙，它们催化有机合成，也可以提出类似的问题。

所有这些情景的片段都是“真实的”，因为每个快照时刻都有实证支持。但是，能够通过将电放电通过木星混合气体来制造氨基酸，就像美国化学家斯坦利·米勒70年前所做的那样，并不意味着这就是生命起源的方式——仅仅意味着这种化学是可能的。同样，类似的化学可以在热液系统中发生，或者在地球地热系统中由氰化物发生，或者在星际空间中发生，这并不意味着所有这些环境都是生命开始所必需的，仅仅是这种化学在许多条件下是有利的。问题总是：接下来会发生什么？如果这些情景中没有一个是“错误”的，那么在这个领域中就有空间去追求多种框架。没有人需要放弃他们偏爱的立场（至少现在不需要）。但是，如果没有更广泛框架的背景下，对生命起源的突破性进展的鲁莽宣称是无益的噪音。只有认真对待整个问题，这个问题才能最终得到解答。

Towards an answer

生命起源领域面临着困扰整个科学界的相同问题，包括文化和激励方面的问题——为了发表和获取资金而过度推销观点，竞争团体之间共同基础太少，或许还有过多的自尊：对偏爱的情景有太强的依恋，以及被证明错误时意愿太低。这些激励因素由于缺乏直接证据而被放大——没有可被发现的“冒烟的枪”。

鉴于科学的政治现实——发表、获得资金、终身职位或晋升的无情压力——改变这种文化将需要一些努力，但如果该领域希望继续吸引学生，这是必要的。这要求科学家，以及编辑和资助者，意识到分裂该领域的问题，并努力克服它们。我们提出四个优先事项，开始朝着正确的方向前进。

培养跨学科的科学家。追求跨越传统学科界限的假设需要新一代的科学家——博士生、博士后研究员和初级职业首席研究员（PIs）——他们具有广泛的专业知识，并愿意在连贯的更广泛框架内测试特定假设。该领域显然将从强调合作、跨学科和严谨、开放地测试竞争假设的博士培训中受益。

促进良好沟通。为了促进这样的文化，我们中的一人（J.C.X.）在2020年共同创立了生命起源早期职业网络（OoLEN），该网络已发展到来自学生到早期职业PIs的200多名国际研究人员。它由志愿者运营，没有机构联系，无论是财务上的还是其他方面的。成员通过定期会议（在线或面对面）参与辩论，传播研究并共同撰写文章。分歧仍然不少，但这是科学研究的一部分，OoLEN以一种健康的方式促进了它们。

对于后期职业研究人员，会议可以通过类似的方式帮助跨越分歧。物理学会议提供了例子。在一个会议中，环量子引力和弦理论的支持者在辩论中交换立场，以建设性的“钢铁人”形式提出了幽默但有力的反对自己立场的论点。

拥抱开放科学。接受特定假设将被证伪以及框架将被重塑的观点，需要发表负面结果——这些结果往往被低估且未发表。但对于该领域来说，了解例如从二氧化碳合成辅因子的尝试是否失败——特别是在什么条件下——显然是重要的。

以几种方式促进负面数据的传播可能是有价值的。最有价值的是更系统地使用开放获取、社区驱动的知识库来托管和策划数据。这将有助于整理实验条件，突出实证证据的真正空白，并使通过机器学习研究分析大型数据集成为可能。

改进出版实践。研究人员应该在封面信、论文和新闻稿中将他们的发现放在上下文中，以给出工作如何适应更广泛框架的感觉。避免炒作可能看起来不现实，但如果研究人员在作为论文和资助的同行评审员以及作者的角色中实施这一做法，这是可行的。

期刊编辑和授予资金的机构也应考虑该领域的两极分化程度，以确保公平的评审。改进同行评审过程的一种方式是吸纳更多早期职业研究人员，他们往往不那么固执己见。透明的同行评审（在论文中发布匿名报告）也可以抑制偏见，因为它使建设性批评成为可能，而不隐藏偏见。

现在寻求共识或统一还为时过早，问题也太大；该领域需要建设性的不统一。正如我们在这里倡导的，拥抱多个严格的生命起源框架，将促进客观性、合作和可证伪性——良好的科学——同时仍然使研究人员能够专注于他们最关心的事情。没有这一点，科学就会失去它的闪光点和创造力，在这里尤为重要。有了它，该领域可能有一天会接近答案。