我一生都在思考生命是否可能存在于別處。它們是什么模樣？由什么物質構成？地球上的每個生命都由有機分子構成。這些分子微觀結構復雜，碳原子在其中起著核心作用。生命出現前，地球曾經一片荒蕪，而現在到處綻放著生命。這是怎么發生的？沒有生命的情況下，碳基有機分子是怎么生成的？生命如何起源？又是怎么不斷演化，甚至產生出人類這種精細復雜，還喜歡探索自身起源奧秘的生物的？
可能還有無數行星在繞著其他恒星轉，那里也能孕育生命嗎？外星生命如果存在，會和地球生物類似，基于同一套有機分子嗎？它們和地球生物的相似度如何？會不會因為環境不一樣，所以演化方向也截然不同？有沒有其他可能？探究地球生命的本質和尋找外星生命其實是同一個問題的兩面，這個問題就是：我們到底是什么？
群星之間，飄蕩著氣體、塵埃等有機物組成的云團。多虧了射電望遠鏡，我們得以看到那些種類不同的有機分子。它們證明了組成生命的物質在宇宙里到處都是。也許只要有足夠的時間，生命必然出現。銀河的恒星系數以千億計，其中大多數可能從來沒有生命萌芽，另一些恒星系中，生命可能曾經興起又消亡，或者始終停留在最簡單的結構上。只有很小一部分世界才誕生了智慧生物，他們的文明程度說不定遠超我們。
我時不時看到有人說，生命能誕生在地球，純粹是撞了大運——要同時湊齊合適的溫度、液態水，以及富含氧的大氣層等因素，是多么難得啊！這看法多少有些本末倒置。地球生物之所以需要地球環境，恰是因為我們生在這里。不能適應地球環境的生物，在演化過程中都被淘汰了。我們最最最遙遠的祖先——當時它們還是微生物——就已經是物競天擇中的優勝者了。換個完全不同的環境，能生存、演化下來的生物，無疑也會覺得它們生活的地方才是天堂。
所有地球生命都血脈相連，我們有著相同的有機化學機制和遺傳系統。從這個角度來講，地球上的生物學家其實受到了極大的限制。他們只能研究一種生物學，那是生命樂章諸多復調的其中之一。這微弱的笛鳴，真的是方圓數千光年里唯一的響聲嗎？還是說，其實存在一種宇宙賦格曲[1]？它有主題、有對位、有不和諧音，也有和聲？整個銀河里，是不是正有10億不同聲音在奏響生命的樂章？
讓我來講講生命樂章地球復調中某一小節的故事吧。故事發生在公元1185年的日本，安德天皇時年7歲。安德天皇是權臣家族平氏名義上的領袖，而平氏和另一個大家族源氏都聲稱自己才是皇權的正統繼承人。血腥的戰爭已在他們之間持續多年。1185年4月24日，源、平兩軍在壇之浦海上決戰，平氏無論艦船數量還是謀略皆輸給了源氏，許多將士戰死當場，幸存者大量投海身亡。天皇的祖母二位尼御前不愿自己與天皇遭虜，她所做的決定，在《平家物語》里有詳細的記載：
天皇時年七歲，但少年老成。他姿容端莊，風采照人，綹綹黑發，長垂背后。他不勝驚愕地問祖母：“您要帶我去哪里？”
二位尼御前背對年幼的天皇，淚流滿面……她安慰著他，把那頭長發包裹在山鳩色的御袍里。天皇兩眼含淚，合起漂亮的小手，先是轉向東方，向伊勢神宮告別，然后轉向西方，誦讀佛號不止。二位尼御前把他緊緊抱在懷里，說完“海底是我們的皇都”，便帶著他一道投入波濤之中。
平氏艦隊全軍覆沒。只有43個女眷活了下來。為了求生存，她們被迫向戰場附近的漁民兜售鮮花，以及提供其他服務。經此一役，平氏幾乎從歷史上消失。但這些落魄的女眷，還有她們和漁民所生的后代，每逢海戰紀念日都會舉辦活動。這一習俗延續到了今天。每年4月24日，繼承了平氏血脈的漁民披麻戴孝前往赤間神宮祭奠安德天皇。神宮里還有講述“壇之浦合戰”的戲劇演出。當地人認為沉海的平氏武士們在幾個世紀后依然做著徒勞的抗爭，想要洗刷浸透鮮血的恥辱。
民間傳說里，平氏武士至今仍在日本內海游蕩——但他們都化作了一種螃蟹。這種“平家蟹”的殼上有詭異的紋路，就像武士的臉。漁民不但不吃這些螃蟹，反而會把它們放回大海。
武士的臉怎么會出現在蟹殼上呢？答案也許出乎你的意料：它們是人造的。當然，蟹殼的紋路出于遺傳，但螃蟹和人類一樣，存在眾多不同的遺傳分支。假設很久以前，偶然出現過一種蟹殼紋路和武士面容接近，或者哪怕只有一點點像的螃蟹，那么甚至在壇之浦合戰前，人們就不太愿意吃這種螃蟹了。漁民把它們丟回海里，決定了如下的演化路徑：如果你是螃蟹，而你的甲殼普普通通，那人類就會吃掉你，你這一支的后代自然越來越少。但你的殼要是看起來有那么點像人臉，就有概率能死里逃生，留下更多后代。從這個角度來講，平家蟹的興盛很大程度上取決于甲殼紋路。幾代過去后，那些紋路長得最像人臉的螃蟹最容易存活，再往后，殼上的圖案就不僅僅像人臉了，甚至會讓人聯想到滿面怒容的武士。所以，決定平家蟹長什么樣的不是它們自己，而是外部環境。它們越像武士，活下來的概率就越大。結果到最后，就出現了許許多多的平家蟹。
平家蟹的大量繁衍無關螃蟹的自身愿望，而是漁民們無意識選擇的結果。我們把這個過程叫作“人工選擇”。實際上幾千年來，人類一直在有意識地選擇哪些動植物應該生存，哪些應該淘汰。我們從小就接觸的果蔬家畜來自哪兒？它們是不是在野外自由地生活著，后來才決定去農場過不那么艱苦的生活？不，當然不是了。它們中的絕大多數品種都是人類造就的。
一萬年前，世界上可沒有奶牛、獵犬，或大穗的玉米。我們馴化了這些動植物的祖先——有些和其后代樣貌截然不同——控制了它們的繁衍。那些性狀比較符合人類需要的品種得到保留，優先繁衍。當我們想要一只能幫忙照看羊群的狗時，會培養比較聰明、聽話，還有一定放牧天賦的狗，因為這些品質讓它們能夠管理大群動物。人類對牛奶和奶酪的喜好，導致了奶牛乳房不斷膨大。我們的玉米，或者說玉蜀黍，在經過上萬代的選育后，比它干瘦的祖先更美味，也更富有營養；少了人類，它們甚至完全無法自我繁衍。
人工選擇的本質——包括平家蟹、狗、奶牛和大穗玉米——可以歸結于：動植物的性狀和行為都是遺傳的，人類出于某些原因，會選育其中的一些種類，淘汰另一些。得到選擇的品種繁衍壯大；另一些日漸稀少，甚至滅絕。
既然人類能讓動植物產生新品種，那大自然難道就不能了嗎？當然能了。類似的過程叫作“自然選擇”。億萬年光陰里，生物發生徹頭徹尾的變化，本質和人類在短時間內改變動植物的性狀并無不同。這一觀點有化石作為證據支撐。化石記錄清楚地顯示，許多曾經橫行于地球的生物如今徹底消失。滅絕的物種，遠比現存的物種要多；它們是漫長生物演化史中已經終結的試驗。
物種馴化的遺傳變異速度驚人。直到中世紀早期，兔子才得到馴化（完成這一功績的是法國僧侶——他們相信新生的兔子等于魚，而教歷中的某些日子禁止食用常規肉類）；咖啡要等到15世紀才被馴化；甜菜則是19世紀；貂依然處在馴化的早期階段。不到一萬年里，馴化讓羊從每次產出不到1千克的粗毛，變成了10千克甚至20千克的細毛；奶牛泌乳期產出的牛奶，也從幾百毫升增至足足百萬毫升。如果人工選擇能在這么短的時間里造成如此巨大的改變，那持續億萬年的自然選擇，又能帶來什么呢？答案是千姿百態、斗艷爭輝的生物界。物種演化絕非空中樓閣似的理論，它有的是看得見摸得著的實例。
物種演化在于自然選擇，這一偉大發現與查爾斯·達爾文、阿爾弗雷德·拉塞爾·華萊士的名字緊緊聯系在一起。一個多世紀前，他們就說大自然里新生的動植物數量，遠比最終活下來的要多，環境壓力選擇了那些因為偶發變異而更適宜生存的物種繁衍后代。變異——遺傳上的突變——是真的，為演化提供著基礎素材。大自然選擇那些更適宜生存的突變體，導致生命逐漸從一個形態轉變到另一個新形態，而這就是新物種的由來[2]。
達爾文在《物種起源》中寫道：
人類并不能直接改變物種；他們只是把生物置于新的環境下。是自然法則在影響那些生物，導致它們變異。但人類確實可以在自然變異中進行選擇，并按自身意愿讓其逐漸累積。通過這種方式，他就培育出了更符合自身利益或喜好的動植物。這一過程可以是有目的、有計劃的，也可能是無意識行為的結果。比如他只是保留了最有用的個體，對于品種本身的改變并未加以考慮……我找不到明顯的理由，認為在馴化環境下行之有效的原則，在自然條件下卻不會發生作用……生物的繁殖數量，遠比最終存活的要多……無論什么物種、什么年月、什么季節，只要它能比競爭對手多一點點優勢，或對周遭環境的適應力更好一些，就會打破平衡。
T.H.赫胥黎是演化論在19世紀時最堅定的捍衛者和推廣者，他曾這樣評價達爾文和華萊士的著作：“一道刺破黑夜的光，讓迷失的人找到了路。無論這條路能否帶他回家，至少提供了前進的方向……第一次讀到《物種起源》時，我禁不住感嘆：‘我居然沒想到這一點，真是愚蠢啊！’我猜，哥倫布的同伴們也說過一樣的話……物種多樣化、生存競爭、對環境的適應，這些事眾所周知；然而在達爾文和華萊士驅散黑暗之前，誰也沒想到通往問題核心的道路就在我們身邊。”
演化論和自然選擇這兩個概念曾讓世人震驚不已，對不少今人而言依然如此。生物的優雅簡潔，它們結構與功能的高度吻合，讓我們的祖先贊嘆折服，從而相信那是出自偉大設計師的手筆。即使是最簡單的單細胞生物，也比最精巧的懷表復雜，而懷表不會自己進行組裝，或者慢慢發生變化，更不會從落地鐘演變而來。鐘表的存在，意味著鐘表匠的存在。原子和分子似乎不可能自發結合，創造出那些無處不在的、復雜又微妙的生物。我們祖先掌握的歷史記錄十分有限，因此他們認為每個生物都經過精心設計，一個物種不會變成另一個物種。我們渴望理解自然的意義及其法則，而“偉大設計師的精心設計”恰好滿足了這種渴望。這解釋既自然，又動人，而且富有人性。但正如達爾文和華萊士所示，還有另一種解釋。它不僅同樣自然、動人、富有人性，而且比前者更令人信服：那就是自然選擇。它使生命樂章隨著世代流逝而愈發美妙。
有人爭辯說，古生物的化石證據，未必和偉大設計師的說法相悖；也許當設計師對某些物種感到不滿的時候會把它們毀掉。只是這個說法令人隱隱不安。全知全能的設計師，難道不應該從一開始就設計出他想要的作品嗎？化石意味著嘗試、犯錯、無法預知未來，這和偉大設計師的全知全能起了沖突（除非這個設計師性格古怪，喜歡故弄玄虛）。
20世紀50年代我上大學那時，有幸在H.J.穆勒的實驗室里工作。穆勒是偉大的科學家，他發現了輻射會導致變異，我能意識到平家蟹和人工選擇的關系也是因為他。在實驗室里進行遺傳學實踐時，我花了幾個月時間研究黑腹果蠅（拉丁語意為“黑色的露水情人”），這種溫和的小東西有兩片翅膀和大大的眼睛。我把兩個品種的果蠅養在一品脫牛奶瓶里，讓它們相互雜交，看它們能在親本基因重新排列以及外界環境的誘發下發生些什么改變。實驗室技術人員在牛奶瓶底抹上糖漿，母果蠅把卵產在里面以后，我們會塞上瓶口，耐心等待兩周，直到受精卵孵出幼蟲，幼蟲化蛹，蛹里再鉆出新的成年果蠅。
有一天，我一邊用低倍雙目顯微鏡觀察一批剛出生的果蠅（它們被乙醚麻醉了），一邊用駱駝毛刷把它們按品種分開。眼前的生物讓我非常震驚：那可不是小變化——比如紅眼睛替代了白眼睛，或者頸部長出細毛之類——那完全是另一個功能健全的物種。它們翅膀更長，長著羽毛般的觸須。這是命運的安排，我想，居然能親眼見到一個物種在單代中發生這么巨大的變異。穆勒曾說這種情況不可能發生，看它不但發生了，而且就在他的實驗室里。想到該怎么對教授解釋，我就頭疼萬分。
懷著沉重的心情，我敲了敲穆勒辦公室的大門。“請進。”門內傳來沉悶的喊聲。進去后，我發現房間里一片漆黑，只有一盞小燈照亮了他工作的顯微鏡臺。我在這陰暗的環境里結結巴巴地告訴他，我發現了完全不一樣的果蠅，而且可以百分之百確定它是從糖漿的蟲蛹里鉆出來的，我不想打擾穆勒教授，但是……
“它是不是更像鱗翅目，而不是雙翅目？”他反問時，燈光自下而上照亮了他的臉。見我沒反應過來，他解釋道：“它翅膀是不是很大？觸須是不是羽毛狀的？”我尷尬地點點頭。
穆勒打開頂燈，露出了慈祥的笑容。事情其實老套得很。有一種飛蛾已經適應了果蠅基因實驗室的環境。它跟果蠅一點兒也不像，也不打算跟它們打交道，只是喜歡糖漿。在實驗室技術人員打開牛奶瓶塞——比如說要把母果蠅放進去——的短暫瞬間，它俯沖過去，把卵產在了美味的糖漿里。我發現的并不是什么重大突變，而是大自然展現的另一種可愛的適應性，它是微小突變和自然選擇的產物。
演化的奧秘在于淘汰和時間——大量未能完全適應環境的物種遭到淘汰，適應環境的小突變則隨著時間不斷累加。有些人反對達爾文和華萊士，部分原因在于時間跨度——我們連幾千年的光陰都很難想象，更不要說億萬年了。7000萬年對于一個壽命只有它百萬分之一的物種來說到底意味著什么？我們就像蝴蝶，飛翔在日光下，以為白晝是永恒。
演化很可能也在宇宙其他角落發生；但如果從蛋白質化學結構或大腦神經系統這樣的細節來看，地球生命的故事在整個銀河里都是獨一無二的。大概46億年前，地球由一堆星際氣體和碎石凝聚而成。化石記錄告訴我們，生命在那之后不久——約莫40億年前——就在早期地球的池塘和海洋里登臺亮相了。原始生命遠不及后來的單細胞生物復雜，甚至可以說非常簡陋。那段日子里，地球電閃雷鳴不斷，異常熾烈的陽光不斷分解原始大氣中的富氫分子，而那些碎片重新結合成越來越復雜的分子。這種早期化學反應的產物不斷溶解在海中，把它變成了一鍋日漸稠密的有機湯。終于有一天，可能只是機緣巧合，一種分子出現了。它能以湯鍋里的其他分子作為材料，粗略地復制自身（我們以后會再討論這個話題）。
這種物質的后代叫作“脫氧核糖核酸”，簡稱DNA，是地球生物的核心分子。它的形狀如同螺旋形梯子，由四種不同的分子組成梯級，這些分子叫作核苷酸。它們好比四個字母，拼寫出地球上所有生物的遺傳密碼。生物個體的遺傳密碼各不相同，但書寫語言用的是同一套。核苷酸的不同組合制定出生產有機體的指令，造就生物之間的千差萬別。所謂突變，就是核苷酸上發生的變化，它們會遺傳給下一代，也即“真實遺傳”。而由于過程的隨機性，絕大多數變異都會產生無效酶，有害或者致命。可能要等上好久，才會碰到讓有機體得到優化的突變。然而，正是這些概率極小，且只有千萬分之一厘米大小的核苷酸改變，使演化得以實現。
40億年前的地球是分子伊甸園。那時候還沒有掠食生物，只有一些分子在爭奪素材，低效地復制自身。早在當時，演化便已開始。繁殖、突變和自然選擇淘汰了最低效的物種。隨著時間推移，它們的繁殖能力越來越強。具有特殊功能的分子最終聚合在一起，形成了一種分子集合體——史上第一個細胞。今天的植物細胞里有微小的分子工廠，這些被稱為葉綠體的東西負責光合作用，也就是把陽光、水和二氧化碳轉化成碳水化合物和氧。動物血液里則含有另一種工廠，它們名為線粒體，能把食物和氧氣結合以獲取能量。這些工廠如今廣泛存在于植物和動物細胞里，但在遙遠的過去，它們也許是獨立活動的。
30億年前，某種突變阻止了單個細胞在一分為二后繼續分裂，一些單細胞植物聚集在了一起。就這樣，第一個多細胞生物誕生了。你體內的每個細胞都是社群成員，它們曾經自由生活，卻為了共同的利益團結起來，這樣的100萬億個細胞組成了你——我們每個人都是一個群體。
性別的出現要追溯到20億年前。更早的時候，生物種類若要推陳出新，只能依賴不斷累積的突變。靠遺傳信息一個字母一個字母地隨機變化，自然演化的速度一定極其緩慢。然而性別出現后，兩個生物可以交換整段、整頁、整冊的DNA代碼，產生新的種類以供篩選。很顯然，大自然選擇了那些有性別的生物，因為那些對性興趣不大的生物很快就滅絕了。這種選擇，不僅決定了20億年前的微生物的命運，也讓我們人類至今依然熱衷于交換DNA片段。
到10億年前，植物的相互合作使地球環境發生了天翻地覆的變化。綠色植物能產生氧分子，而海洋充滿了原始的綠色植物，因此氧氣就成了地球大氣的主要成分。它們不可逆轉地改變了原來的富氫環境，結束了地球歷史中生命“從無到有”的階段。問題在于，氧氣也會使得有機分子分解。不論我們多么喜歡氧，它對未受保護的有機物來說無疑都是一劑毒藥。大氣氧含量逐漸增加，導致絕大多數不能適應氧氣的生物滅亡。而一些原始的生命，比如肉毒桿菌和破傷風桿菌，至今只能在無氧環境下生存。地球大氣里的氮是惰性化學物質，比氧溫和得多，但它同樣是生物造就的。99%的地球大氣源自生物。可以說，生命創造了天空。
生命誕生的這40億年里，統治時間最長的物種是微型藍藻，它們一度覆滿了整個海洋。大約6億年前，大量新生命出現，打破了藍藻的霸權，史稱“寒武紀大爆發”。地球誕生不久生命隨即出現，這表明類地行星上出現生命很可能是必然。但之后的30億年里，除了藍藻沒有誕生別的生命形式，意味著具備特殊器官的大型生物并不容易出現，甚至比生命的起源還要難。也許宇宙里有許多星球上存在大量微生物，但沒有大型動物和植物。
寒武紀大爆發后，海洋里很快出現了各種各樣的生物。5億年前，三葉蟲大量繁衍，它們如同大號昆蟲，成群結隊地在海底狩獵。三葉蟲體態優美，眼里長著用來探測偏正光的晶體。但現在找不到活的三葉蟲了；實際上，它們在兩億年前就走向了滅絕。那些曾經存在于世的動植物今天都沒了蹤影。當然，我們今天所見的一切物種當時也不存在，在古老的巖石里找不出像人類的化石。沒有物種可以永存，它們存世的時間或長或短，總歸要走向消亡。
寒武紀大爆發之前，物種的演化速度似乎相當緩慢。其中部分原因在于我們探究的歷史越久遠，所能掌握的信息就越少；生物在草創階段，幾乎沒有堅硬的部分，柔軟的肢體又難以變成化石；從另一方面來講，化石只能記錄生物的外部形態，細胞結構的艱苦演化無法通過化石反映出來。寒武紀大爆發之后，新的物種層出不窮。第一批魚類和脊椎動物很快出現；以前只生長在海洋里的植物終于登上了陸地；昆蟲和它們的后代成了動物在陸地上拓殖的先驅；有翼昆蟲登場的同時，類似肺魚的早期兩棲類也出現了，它們能同時在水里和陸地生存；接下來是最早的樹木和最早的爬行動物；恐龍的時代來臨了；哺乳動物登臺亮相，然后是鳥類；第一朵花綻開；恐龍滅絕；鯨目動物——海豚和鯨魚的祖先——出現；同一時期，我們人類和猴子共同的祖先靈長類動物初露頭角。不到1000萬年前，自然演化出了第一批長得像人類的物種，他們的大腦容量在短時間內暴漲；幾百萬年前，真正的人類終于出現了。
人類在森林中長大，對樹木有天然的親近感。樹木是向天空伸展的可愛生命，用葉子進行光合作用，主要通過屏蔽鄰里的陽光展開生存競爭。如果仔細觀察，你常常能發現兩棵緊挨著的樹在有氣無力地推推搡搡。這些優雅而美麗的機器由陽光提供動力，從大地吸取水分，在空氣中汲取二氧化碳，再把這些物質轉化成食物，供給自己……和我們。生成的碳水化合物是植物展開其綠色業務的能量來源，而我們動物只有竊取這工作成果才能生存繁衍。消化植物的過程中，碳水化合物和血液中的氧結合，產出供我們行動的能量，而我們呼出的二氧化碳被植物再度吸收，制造出更多的碳水化合物。植物和動物呼吸著彼此的氣息，渾然一體。整個地球上的生命在相互復蘇，而這個優美的循環由1.5億千米外的恒星提供動力，多么神奇的協作！
目前我們已知的有機分子種類多達數百億，但其中作用于生命基本活動的只有大約50種。同樣的分子被一而再、再而三地使用，巧妙應用在許多不同方面。深入地球生命的核心——控制細胞化學的蛋白質，以及攜帶遺傳信息的核酸——我們會發現這些分子在所有動植物身上都基本相同。橡樹和人類由同樣的材料構成，我們有同一個祖先。
細胞的復雜和優雅不亞于銀河與群星。這精巧的機制是40億年艱苦演化的產物。它們能吸收食物碎片，把碎片轉變成細胞結構。昨天你吃的奶油菠菜，是怎么在今天變成白細胞的？究竟怎么做到的？細胞的內部結構錯綜復雜、如同迷宮，它們轉換分子、儲存能量，隨時準備自我復制。如果深入細胞，我們能看到許多蛋白質分子斑點，有的瘋狂活動，有的靜靜等待。蛋白質里最重要的是酶，它們控制著細胞化學反應，每個酶都有明確分工，就像流水線上的工人：比如流水線的第四步是構建鳥嘌呤核苷磷酸鹽，或第十一步是分解糖分子以提取完成作業所需的能量。
雖然酶極其重要，但它們并非掌控全局的角色。對它們發號施令的分子叫作核酸——實際上，酶就是遵照核酸指令構建的。核酸隱居在細胞核內的深宮里。如果通過孔隙進入細胞核，你會覺得自己走進了一家忙亂的意面工廠——到處是亂糟糟的線圈和鏈條。那是兩種核酸：知道該做什么的DNA，以及向細胞其他部分傳達DNA命令的RNA。它們是40億年演化后大自然最絕妙的作品，包含了如何讓一個細胞、一棵樹，或者一個人得以存在的全部信息。人類DNA里的信息如果用普通語言書寫出來，得有一百卷那么厚。更重要的是，DNA知道怎么才能精確地復制這些信息，紕漏最多不過幾處。它們真的很厲害。
DNA是雙螺旋結構，兩條纏繞的鏈條如同螺旋形的樓梯。所謂生命的語言，就是沿鏈條排列的核苷酸順序。DNA浸泡在細胞核內的黏稠液體里。繁殖過程中，雙螺旋會在一種特殊解旋蛋白的幫助下分離，每條螺旋都會使用漂浮在近旁的核苷酸，合成另一條螺旋的完美副本。解旋過程開始后，DNA聚合酶會參與進來保證復制過程近于完美。如果出現錯誤，就會有酶來進行裁剪，把寫錯的核苷酸替換成正確的。這些酶作為分子機器，有著驚人的能力。
除了保證復制過程準確無誤——畢竟這事關遺傳——DNA還會指揮細胞的其他活動，也就是所謂的新陳代謝。它們合成信使RNA，后者離開細胞核，確保酶在正確的時間、正確的地點得到制造。這些工作的成果，也就是單一的酶，能夠執行細胞的某個特定化學反應。
人類DNA長梯上的核苷酸多達10億。大多數的核苷酸組合可能都沒有意義：它們合成出的蛋白質沒有任何功能，能給我們這樣復雜的生物帶來益處的只有很小一部分。但是，它們能做出的組合數量多得驚人——甚至比全宇宙的電子和質子加起來還要多。也就是說，人類擁有的可能性，遠遠多于歷史已經呈現的樣貌：我們還有巨大的潛力尚未得到發掘。肯定有什么組合方法能讓核酸發揮出——不管選取什么標準——更好的效果，完全超越我們和先人。盡管目前人們還不知道該怎么重排核苷酸序列來創造全新的人類，但將來某一天，我們肯定能讓新生兒具備任何想要的特征。只是這個前景令人警醒不安。
演化是通過變異和自然選擇進行的。如果DNA聚合酶在復制過程中出錯，突變就可能產生——但它很少出錯。除此之外，輻射、太陽紫外線、宇宙射線或者環境中的化學物質，都可能改變核苷酸的序列，或者讓核酸扭結。如果突變率太高，我們就會失去40億年艱苦演化的遺傳成果。如果太低，物種演化速度又會跟不上未來環境的變化。物種演化需要在基因突變和自然選擇中取得精確的平衡，才能展現出非凡的適應性。
DNA上單個核苷酸的變化，會導致該DNA編碼里單個蛋白質氨基酸發生變化。歐洲裔人口的紅細胞多呈球狀，一些非洲裔人口的紅細胞則像鐮刀或者新月。鐮狀細胞能攜帶的氧含量較少，容易導致貧血癥，但對瘧疾有抗性。毫無疑問，貧血癥肯定比死亡好。兩種紅細胞的區別之大，看一眼照片即知。這種對血液功能的重大影響是個典型例子，說明人類細胞DNA里百億核苷酸的其中之一遭到改變，可能會導致什么樣的結果。而我們至今不了解絕大多數的核苷酸到底能起什么作用。
光是看外表，人類和樹木很不一樣，我們和樹木對世界的感知方式也天差地別。然而深入生物分子層面上，樹木和人并無二致。我們都用核酸來進行遺傳，都以蛋白質為酶來控制細胞的化學反應。更重要的是，和幾乎所有地球生物一樣，我們用同一套編碼手冊來將核酸的信息轉化為蛋白質信息。[3]這種分子層面的一致性，最可能的解釋是所有生物——樹也好，人也好，琵琶魚也好，黏菌也好，草履蟲也好——的祖先，都是這顆星球早期歷史上某種單一又普遍的生物。問題是，那個決定性的分子到底是怎么產生的呢？
我在康奈爾大學有間實驗室。除了通常的內容，我們還研究生命起源前的有機化學，算是給生命的樂章補充點注解。我們在一個容器里還原了早期地球的大氣，成分包括氫、水、氨、甲烷、硫化氫——你能在今天的木星和宇宙各處找到這些氣體。然后，我們用火花放電刺激氣體。電火花相當于閃電——它們同樣存在于遠古地球和今天的木星上。容器起初是透明的，什么都看不見。但是十分鐘以后，容器壁上慢慢浮現出了奇怪的棕色條紋。那是褐色的焦油層。隨著它們不斷增厚，容器變得越來越不透明。如果我們用紫外線來模擬當時的陽光，結果也會大同小異。焦油是復雜有機分子的集合體，其中包括了蛋白質和核酸的組成部分。這個實驗告訴我們，為生命創造原材料實在是一件很輕松的事情。
早在20世紀50年代初，斯坦利·米勒就做過這個實驗，他當時還是研究生，師從化學家哈羅德·尤里。尤里曾有力地論證過，和宇宙大部分地方一樣，地球早期大氣富含氫。后來地球的氫慢慢消失，而巨大的木星沒有發生類似的情況；至于生命，它們在氫氣消失之前就起源了。有人問尤里，他希望通過原始大氣火花放電實驗得出什么結論，尤里回答：“拜爾施泰因。”《拜爾施泰因》是厚達28卷的德語著作，列出了所有化學家知道的有機分子。
只要用上早期地球存量最豐富的幾種氣體，再加上能夠破壞化學鍵的能量，我們就有了制造生命的基礎材料。但出現在容器里的東西只能算生命的音符，構不成旋律。這些分子積木還得按照正確的順序組合在一起才行。是的，構成蛋白質的氨基酸和構成核酸的核苷酸遠遠不算生命，但在把這些積木拼接成分子長鏈方面，實驗也已經取得了進展。氨基酸在原始地球環境下組裝出了類似蛋白質的分子，它們當中還有一些接近酶，能夠對化學反應進行些許控制。核苷酸拼接在一起，形成了幾十個單位長的核酸鏈。假使容器中的條件合適，短核酸還能合成出與自身相同的拷貝。
這類還原早期地球環境的試驗有許多，但到目前為止，還從沒有報告說有新生命爬出了試驗缸。類病毒是我們已知的最小生物，由不到一萬個原子組成，能引發栽培植物的好幾種疾病。不過，類病毒可能是由更復雜，而不是更簡單的生物演化變成的。說實話，很難想象出比它們結構更簡單的生物。類病毒只由核酸構成，和病毒不一樣，連衣殼蛋白都沒有。它們不過是一條RNA鏈，呈線條狀或閉合環狀。盡管體型微小，類病毒的破壞力可不弱。這些頑強的寄生生物和病毒類似，能接管更大、功能更完善的細胞，把它們改造成生產同胞的工廠。
獨立生存的生物里，最小的要數PPLO（類胸膜肺炎微生物）以及類似的生物，它們約由五千萬個原子組成。為了獨立求生，它們得比類病毒和病毒更復雜。當今的地球環境對簡單生物來說并不友好，你只有拼盡全力才活得下來，還得應付想拿你當飯吃的掠食者。但在這顆星球歷史的早期，也就是由陽光照射富氫大氣產生大量有機分子那陣子，即使是非常簡單的非寄生生物也有競爭的良機。最早的獨立生存生物可能接近類病毒，只有幾百個核苷酸長。嘗試創造這類生物的工作也許會在20世紀末展開。關于生命的起源，包括遺傳密碼的起源，我們還有太多需要了解。不過我們從事這方面的研究才30年，而大自然可是早在整整40億年前就動手了。這么一想，我們干得還不賴。
這些實驗使用的材料并非地球所獨有。實際上，你能在宇宙各處找到相似的氣體和能量。實驗室容器里的變化，很可能也是星際間有機物質和隕石上氨基酸的來源。銀河系數十億的行星上一定產生過同樣的反應。宇宙中充滿了生命的分子。但即使另一個星球的生物有著和我們一樣的分子化學，你最好也別指望它們會長成我們熟悉的模樣。想想地球的生物多樣性吧，這還只是同一顆星球，同一套分子生物學體系的產物。外星動植物很可能與我們熟悉的任何生物都大相徑庭。也許我們能找出些趨同演化的跡象——因為某些環境問題可能只有一個最優解——比如長出兩只眼睛去觀察可見光，但總的來說，由于演化過程的隨機性，它創造出的生物會遠遠超出人類的想象。
我無法明確告訴你外星生物可能會長什么樣，因為我對生命的了解僅僅局限于地球。有些人，比如科幻小說作家和畫家，構思過外星人的模樣。但我對絕大多數的此類幻想持懷疑態度，因為那太像我們了解的生命形式了。每一種生物之所以會形成某一樣貌，都需要歷時甚長、幾乎無法復現的演化史。我不認為外星生物看起來會像是爬蟲、昆蟲或者人類——就算把皮膚染綠、耳朵拉尖、加上觸須也一樣。不過，如果讀者堅持，我可以試著想點不一樣的東西出來：
假設有一顆巨大的氣體行星，它類似木星，大氣中富含氫、氦、甲烷、水和氨，往下探不到陸地，但那里有稠密的云層，有機分子從大氣高層落下，就像天上掉的餡餅，這個過程和我們實驗室容器里發生的沒什么區別。但想在這樣的地方討生活，生物必須克服巨大的環境障礙：這里湍流動蕩，下方無比熾熱。要是不小心行事，就會落下去被烤熟。
為了證明即使在這樣的環境下生命也可以存在，我和康奈爾大學的同事E.E.薩爾皮特做了些計算。當然，我們不可能確切地描繪出居于此地的生物會長什么模樣，不過我們想看看物理和化學定律能否允許生命存活于此。
這種環境下，你必須在自己被烤熟前繁衍后代，并且希望對流能把你的一些子嗣帶往更高，也更涼爽的氣層，這意味著你不能長太大。我們就姑且把這種生物叫作“沉降者”好了。但反過來說，也可以是“飄浮者”——飄在空中的龐然大物，如同巨大的氫氣球。你把氦氣和其他較重的氣體排出體內，只留下最輕的氫氣；或者你通過食物獲得能量，為自己提供保持浮力的熱量，就像熱氣球。和地球上的氣球同理，飄浮者的位置越低，升力就越強，越容易返回大氣層高處涼爽、安全的區域。飄浮者可能會以有機分子為食，或者類似地球植物，從陽光和大氣中汲取能量。某種程度上，飄浮者越大，能量利用效率就越高。薩爾皮特和我想象中的飄浮者寬達數千米，比有史以來最大的鯨魚都要大，規模堪比城市。
飄浮者可能會像沖壓式發動機或者火箭那樣，通過排氣推著自己在行星大氣層中移動。在我們的想象中，凡目力所及之處，全是這些懶洋洋的生物。但飄浮者外皮上偽裝性的紋路，暗示了它們也有煩心事。因為在這樣的環境下，至少還存在另一個生態位，那就是“捕食者”。捕食者靈活機動、動作迅捷，為了獲取有機分子或純氫無情地獵殺著飄浮者。中空的沉降者可能演化成了最早的飄浮者，而能自主推進移動的飄浮者又演化成了最早的捕食者。捕食者不會太多，畢竟獵物一旦耗盡，獵人也會滅亡。
物理和化學定律允許這樣的生物存在，藝術加工則賦予它們些許魅力。然而大自然沒有必要遵守我們的推測。但如果銀河系里有生命的星球數以十億計，那沉降者、飄浮者和捕食者這種我們基于科學幻想出來的生物，就真有可能存在于某處。
比起物理學，生物學更像歷史學。你只有了解過去，才能理解現在。你必須盡可能地掌握細節。生物學沒有預測未來的理論，歷史學也一樣。對現在的我們來說，這兩門學科都太過復雜。不過，我們可以通過參考其他事例來增加對自身的了解。如果能對地外生命展開研究，哪怕就只有一例微不足道的樣本，也足以使生物學打開新世界的大門。生物學家將意識到，其他類型的生命是可能存在的。我們認為尋找地外生命很重要，并不是說真的很容易找到，而是說它值得尋找。
迄今為止，我們聽見的生命之音只回蕩在這個小小的世界里。但我們終于開始側耳傾聽宇宙賦格曲的其他聲音了。
[1]賦格是盛行于巴洛克時期的復調音樂體裁，結構規整。以單聲部形式貫穿全曲的主要旋律即“主題”，與主題形成對位關系的稱為“對題”。
[2]瑪雅圣書《波波爾·烏》把各種各樣的生物描述為諸神不那么成功的嘗試。他們想用實驗來創造人類，但一開始與目標相去甚遠，結果誕生了各種各樣的低等動物；倒數第二次嘗試差點成功，猴子就是這么來的。中國神話里，人類由神明盤古身上的虱子變化而來。18世紀時，德·布豐提出觀點，認為地球的實際年齡比《圣經》所稱更久遠，而生命不知怎的在千萬年的時間里逐漸變化，但他同時相信猿猴是被遺棄的人類后代。雖然這些概念和達爾文、華萊士表達的觀點有出入，但它們是對演化論的預演。德謨克利特、恩培多克勒等早期愛奧尼亞科學家們的觀點也是如此。第七章里，我們會就此展開討論。
[3]并非所有地球生物的基因密碼都完全相同。一些已知案例中，DNA信息在從線粒體轉錄進蛋白質時，使用的密碼本與細胞核基因所使用的并不相同，這表明線粒體與細胞核在一段漫長的時間中彼此獨立演化。這也印證了一個觀點，即線粒體曾自由生存，直到數十億年前才與細胞共生，融為一體。順便說一句，這種共生關系的發展和成熟，也從側面解釋了細胞的起源，以及多細胞生物在寒武紀大爆發的原因。