看起来好像每个不同的核苷酸三联体或密码子都代表一种特定的氨基酸。由于可能有大量不同的密码子，所以也可以用两个或三个不同的密码子代表一种特定的氨基酸。这种情况，密码员称之为遗传密码简并。
这样就留下了两个主要问题：哪一种密码子（或一些密码子）与哪一种氨基酸相对应？而且，密码信息（安全地锁在细胞核里，因为只有细胞核里才有DNA）是怎样到细胞质内形成酶的地方的呢？
如果先考虑第二个问题，很快就会怀疑RNA就是这种媒介物质。这个看法是法国生物化学家雅各布和莫诺首先提出来的。这种RNA的结构必须和DNA非常相似，二者之间存在的差异不能影响遗传密码。RNA以核糖代替了脱氧核糖，即每个核苷酸上多一个氧原子，并用尿嘧啶代替了胸腺嘧啶，即每个核苷酸上少一个甲基（CH3）。此外，RNA主要存在于细胞质中，但是在染色体本身中也有少量存在。
不难看出和证实所发生的情形。偶尔，当DNA绕在一起的两股解开时，其中的一股（总是同一股，即刀刃）复制自己的结构，但不是利用形成DNA分子的核苷酸，而是利用形成RNA分子的核苷酸。这样，这股DNA上的腺嘌呤所连接的不是胸腺嘧啶核苷酸而是尿嘧啶核苷酸。这样形成的RNA分子，带着在自己的核苷酸模型上的遗传密码，就可以离开细胞核而进入细胞质。
由于它带有DNA的信息，所以被命名为信使RNA，或简称为mRNA。
罗马尼亚血统的美国生物化学家帕拉德由于利用电子显微镜仔细观察，于1956年发现，细胞质内制造酶的地方是一些微小的颗粒，直径约为2/1000000厘米。这些小颗粒富含RNA，因此被命名为核糖体。在细菌细胞里有多达15000个核糖体，而一个哺乳动物细胞里的核糖体大概是这个数字的10倍。
它们是最小的亚细胞颗粒或细胞器。人们很快就确定，mRNA到达核糖体，把自己铺在一个或多个核糖体上，这样就使核糖体成为合成蛋白质的场所。
美国生物化学家霍格兰又向前迈进了一步。他也曾积极地研究过mRNA。他证明，细胞质内有许多小RNA分子，因为它们小得能够自由地溶解在细胞质液体里，所以可以称为可溶性RNA或sRNA。
在每个sRNA分子的一端都是一个特定的核苷酸三联体，这个三联体和mRNA链上某地方的一个互补三联体正好配合，就是说，如果sRNA三联体是AGC，它会和mRNA上的一个UCG三联体紧密配合，而且只能在那里配合。在sRNA分子的另一端是一个点，在这个点上sRNA只能结合一个特定的氨基酸而不能结合别的。在每个sRNA分子上，一端的三联体意味着另一端是一个特定的氨基酸，因此，mRNA上的一个互补三联体意味着附加在它上面的只能是一个带着某种氨基酸分子的某种sRNA分子。大量的sRNA分子会一个接一个地完全附加在构成mRNA结构的三联体（在一个特定基因的DNA分子上模制过的三联体）上。这样，所有排列好的氨基酸便很容易连接在一起，形成一个酶分子。
因为sRNA用这种方式把mRNA的信息传递给酶的蛋白质分子，所以sRNA开始被称为转移RNA（简称tRNA），现在这个名字已经确定下来。
1964年，美国生物化学家霍利领导的一个小组对丙氨酸转移RNA（附加在丙氨酸上的转移RNA）分子进行了全面的分析。他们是用桑格的方法进行这种分析的，先用适当的酶把这种分子分解成小的片段，然后分析这些片段并推断它们必须怎样配合在一起。丙氨酸转移RNA是被全面分析的第一种天然产生的核酸，结果发现，它是由一个有77个核苷酸的链组成的。这些不仅包括在RNA中常见的4种核苷酸（A，G，C和T），而且包括其他7种（在性质上和前4种有密切联系）中的一些核苷酸。
最初人们曾经猜想，转移RNA的单链会像发卡一样中间弯曲而两端互相缠绕成双螺旋。丙氨酸转移RNA的结构并不符合这种假说。它似乎是由3个环组成的，所以看上去非常像一棵倾斜的三叶草。在以后的几年中，又对其他一些转移RNA分子进行了仔细的分析，似乎都具有同样的三叶草结构。由于这项工作，霍利分享了1968年的诺贝尔医学与生理学奖。
基因的结构就这样控制着某种特定酶的合成。当然，还有许多问题需要解决，因为基因并不是简单地始终以最高的速度组织酶的生产。现在基因的工作效率可能很高，过一段时间可能就慢下来，再过一段时间可能完全停止工作。有些细胞以最大的能力制造蛋白质，速度非常快，每个染色体每分钟大约结合1500万个氨基酸；有些只是慢慢地制造；有些根本就不制造；但是在一个给定的生物体内，所有的细胞都具有相同的基因结构。此外，还有一点，生物体内的每种细胞都是高度特化了的，具有自己特殊的功能和化学行为。一个细胞合成某种给定蛋白质的速度可能时快时慢，但是，所有的细胞同样在任何时候都具有相同的基因结构。
很明显，细胞具有阻断和开放染色体DNA分子的方法。通过这种阻断和开放的模式，具有相同基因型的不同细胞可以产生不同的蛋白质组合，而一个没有改变基因型的特定细胞可以不时地产生不同的组合。
1961年，雅各布和莫诺提出，每种基因都有自己的抑制剂，由一个调节基因负责编码。这种抑制剂可以阻断或释放基因（抑制剂是阻断还是释放取决于其几何构型，细胞内环境的细微变化即可改变它的构型）。1967年，这种抑制剂被分离了出来，原来是一种很小的蛋白质。结果，雅各布、莫诺和他们的一位同事利沃夫一起获得1965年的诺贝尔医学与生理学奖。
自1973年以来，经过艰苦的研究，发现DNA的长双螺旋似乎在一串组蛋白分子的一个核心周围缠绕形成一个第二螺旋（一个超螺旋），所以有一个叫做核小体的连续单元。在这些核小体里，有些基因被抑制，有些则具有活性，这要取决于结构的细节；组蛋白可能与那种时常使活性基因抑制或活化的物质有点关系。（照例，一旦深入研究细节，生物系统总是显得比预想的复杂。）
信息的传递并不完全是单向地从基因传给酶，同样也有“反馈”。因而，有一种基因能够形成一种酶，这种酶可以催化苏氨酸转化成异亮氨酸的反应。异亮氨酸的存在不知为什么可以起到激活抑制剂的作用，抑制剂就开始停止这种基因产生导致异亮氨酸存在的那种特定酶。换句话说，当异亮氨酸的浓度增高时，它的合成就减少；如果浓度下降，基因被开放，就会形成更多的异亮氨酸。细胞里的化学机器（基因、抑制剂、酶、最终产物）非常复杂，而且相互间有千丝万缕的联系，因此，不可能很快就全部搞清楚。
但是，还有另一个问题：哪一个密码子同哪一个氨基酸在一起呢？1961年这个问题开始有了答案，这要感谢美国生物化学家尼伦伯格和马太的研究。他们开始用的是一种人工合成的核酸，是根据奥乔亚的方法只用尿嘧啶核苷酸制成的。这种多尿苷酸是由……UUUUUUUU……一个长链构成的，所以只具有一种密码于UUU。
尼伦伯格和马太把这个多尿苷酸加到一个含有各种氨基酸、酶、核糖体以及合成蛋白质所必须的所有其他成分的系统里，从这种混合液里偶尔发现了一种只由苯丙氨酸组成的蛋白质，这意味着UUU与苯丙氨酸是对等的。密码字典的第一个词条找到了。
下一步是从以尿嘧啶核苷酸为主加入少量腺嘌呤核苷酸的溶液里制备一种核苷酸；这样，同UUU密码子一起，偶尔还会出现UUA、AUU或UAU密码子。奥乔亚和尼伦伯格证明，在这种情况下，形成的蛋白质主要是苯丙氨酸，但也偶尔含有亮氨酸、异亮氨酸和酪氨酸。
利用这类方法，使密码字典逐渐扩大。已经发现密码的确有简并的。例如，GAU和GAC可以分别代表天门冬氨酸，而GUU、GAU、GUC、GUA和GUG全都代表甘氨酸，此外，还代表一些标点符号。密码子AUG不仅代表甲硫氨酸，而且显然还表示一条链的开始，可以说它就是一个大写字母；UAA和UAG却表示一条链的终止：它们是句号。
到1967年，密码字典就全部完成了（见表13-1）。尼伦伯格和他的同事印度血统的美国化学家科拉纳和霍利一起共同获得1968年的诺贝尔医学与生理学奖。
表13-1 遗传密码表
左行是RNA四个碱基的字头（尿嘧啶U，胞嘧啶C，腺嘌呤A，鸟嘌呤G），分别表示密码子三联体的头一个“字母”。顶上横排的四个字头分别表示第二个字母。第三个比较不重要的字母排在最后一行。例如，酪氨酸或用UAU编码，或用UAC编码。
※还有甲酸甲硫氨酸，密码子AUG为起始信号。
※※密码子GUG为起始信号。
然而，搞清楚遗传密码并不等于有了一个“愉快的结局”，即现在所有的秘密都可以解释清楚了。（科学上大概没有这种愉快的结局，这也是一件好事，因为一个没有秘密的世界该是多么的无趣。）
遗传密码主要是通过细菌实验搞清楚的，而在细菌里染色体和负责蛋白质合成编码的工作基因是挤在一起的。细菌是原核生物，它们没有细胞核，但在整个小细胞里分布着染色体物质。
对有细胞核（除细菌和蓝绿藻以外，所有的细胞都有细胞核）的真核生物来说，情况就不同了。整个核酸和工作基因并不是牢固地挤在一起。核苷酸链上用来给mRNA编码的那些部分和蛋白质（外显子）最终被可以说是毫无意义的链的片段（内含子）穿插其间。控制生产一种酶的一个基因可能是由被内含子分开的一些外显子组成的，而核苷酸链的缠绕方式可以把外显子集中在一起给mRNA编码。因此，本章前面估计人体细胞里有200万个基因，如果是指工作基因的话，则估计得太高了。
真核生物为什么要携带这种似乎非常沉重的负担，至今仍然是个谜。也许基因一开始就是这样形成的。在原核生物里，为了制造比较短的核苷酸链，使它们能够更迅速地复制，以利于更快地生长和繁殖，所以把外显子处理掉了。在真核生物里，外显子没有被删去，大概是因为它们可以提供某种不能立即看到的好处。无疑，这个答案如果找到，一定会非常惊人。
同时，科学家们已经发现直接参与基因活性的方法。1971年，美国微生物学家内森斯和H.O.史密斯对限制酶进行了研究。限制酶能够在一个特定的核苷酸连接处（而不是别的地方）以特殊的方式把DNA链断开。还有另一种型式的酶，叫做DNA连接酶，能够把二股DNA结合起来。美国生物化学家伯格用限制酶把DNA的二股切断，再重新组合成与原来型式不同的股。一个重组DNA分子就这样形成了，这个分子与原来的不同，大概与以前存在过的任何分子都不同。
这项研究的结果使人们开始能够修饰基因或设计新基因：把它们插入细菌细胞里（或真核细胞的细胞核里），就会形成具有新的生化特性的细胞。结果，内森斯和H.O.史密斯分享了1978年的诺贝尔医学与生理学奖，而伯格分享了1980年的化学奖。
重组DNA工作显然有危险。无论是故意还是非故意，如果制造出的一种细菌细胞或一种病毒能对没有天然免疫力的人类产生毒素，那该怎么办呢？如果这种新的微生物离开实验室，可能会给人类造成无法形容的灾难性的流行病。出于这种考虑，伯格等人1974年呼吁科学家们在研究重组DNA方面要自觉地坚持严格控制。
但是，碰巧后来的经验证明，发生任何不幸事件的危险是很小的。原先的警告太过分了。微生物里置入新基因后，产生的菌株非常弱（一个非天然基因不容易与之共存），即使在最有利的条件下，也只能勉强存活。
而且，重组DNA的研究还可能带来很大的好处，除能够帮助我们进一步了解细胞工作的细节特别是遗传的机制以外，还有更多的直接利益。我们只要适当地修饰一个基因，或插入一个外来基因，一个细菌细胞就可以变成一个小工厂，制造人类而不是其自身所需要的某种物质的分子。
于是，在20世纪80年代，细菌细胞经过修饰已经能够制造人的胰岛素（起了一个不吸引人的名字叫人岛素）。因此，总有一天，糖尿病患者将不再依赖于从被屠宰动物的胰脏里所得到的必然有限的供应，也不再使用供应充足但不理想的牛和猪的胰岛素。
利用适当修饰过的微生物还可以得到其他蛋白质，例如干扰素和生长激素，而且出现了无限的可能性。现在已经提出创造新形式的生命能否申请专利的问题，对此人们不会感到惊奇。
生命的起源
当我们开始认真研究核酸分子时，我们就接触到我们能够接近的生命的基础了。的确，这是生命本身最重要的物质。要是没有DNA，生物就不会繁殖，我们所说的生命也就不会开始。生命的各种物质（酶以及由酶催化产生的所有其他物质）归根到底都是由DNA决定的。那么，DNA和生命是怎样开始的呢？
这一直是科学上不敢提出的一个问题，因为生命的起源与宗教信仰的结合比地球和宇宙的起源更加牢固。时至今日，人们仍然只是以犹豫和辩解的态度对待这个问题。苏联生物化学家奥巴林写了一本名为《生命的起源》的书，把这个问题提到了一个显著的地位。这本书1924年在苏联出版，1936年发行了英译本。在这本书里，完全按照唯物主义的观点第一次详细地论述了生命起源的问题。由于苏联不像西方国家那样受到宗教顾虑的压抑，所以这本书的出版不足为奇。
早期的学说
大部分的早期文化都发展出一些神话，讲述上帝或精灵创造第一批人类（有时还有其他形式的生命）的过程。然而，很少有人认为生命本身的形成完全是神的特权，至少，低等生物可能是由非生物自然产生的，没有神的干预。例如，昆虫和蛆可能来自腐烂的肉，青蛙来自泥土，老鼠来自霉烂的小麦。这种想法是根据实际观察得来的，举一个最明显的例子，腐烂的肉的确会突然长出蛆来。人们自然会设想，蛆是由肉形成的。
亚里士多德相信自然发生说。中世纪的一些大神学家如托马斯·阿奎那也都相信。还有哈维和牛顿。说到底，一个人亲眼看到的证据是很难驳倒的。
第一个用实验验证这个信条的是意大利医生雷迪。1668年，他决定检验一下蛆是否真是由腐烂的肉形成的。他把肉块分放在数个罐子里，一些罐子口用细纱布盖上，另一些敞开着。结果，只有敞口罐子里的肉生了蛆，苍蝇可以自由出入这些罐子。雷迪由此断定，苍蝇在肉上产下极其微小的卵，蛆是由这些卵产生的。他强调，如果没有苍蝇和卵，不管肉腐烂多久，也不会生蛆。
仿效雷迪的实验者证实了这个发现，于是，人们不再认为看得见的生物来自无机物了。但是，在雷迪时期以后不久，人们发现了微生物，许多科学家断定，至少这些形式的生命是由无机物变来的。即使在纱布盖着的罐子里，肉很快也会开始长满微生物。在雷迪实验后的两个世纪里，微生物可能使自然发生的信念一直非常盛行。
首先对这个信念表示严重怀疑的还是一位意大利人，他就是博物学家斯帕兰札尼。1765年，他摆出两组盛有肉汤的烧瓶，一组开着口，暴露在空气里；另一组则先煮沸，杀死里面已有的任何生物，然后再密封起来，不让可能在空气中浮动的任何生物进入。第一组烧瓶里的肉汤很快就长满微生物，但煮沸后密封的肉汤却一直保持无菌。斯帕兰札尼满意地证明，即使微生物也不能由无生命的物质产生。他甚至还分离出一个单个的细菌，并看见它分裂成两个细菌。
但这并没有使相信自然发生说的人信服。他们坚持认为，煮沸破坏了某种生命的要素，所以在斯帕兰札尼煮沸后密封的烧瓶里无法形成微生物。直到1862年，巴斯德才似乎彻底解决了这个问题。他设计了一个烧瓶，装有一个长鹅脖子似的横S形瓶颈（见图13-7）。他拔去瓶口的塞子，使空气可以进入烧瓶，但灰尘颗粒和微生物不能进入，因为弯曲的瓶颈可以起存水弯的作用，就像厨房洗涤池下面的放泄弯管一样。巴斯德把一些肉汤放进烧瓶，把横S形瓶颈装上，再煮沸肉汤直到冒出蒸汽（把肉汤里和瓶颈里的微生物全部杀死），然后等着看发展。结果肉汤仍然无菌，证明空气里没有生命的要素。巴斯德的实验显然把自然发生说永久地埋葬了。
图13-7 巴斯德检验自然发生说用的烧瓶
所有这一切都给科学家留下了困惑的种子。如果生命既不是神创的，又不是自然发生的，那么，它到底是怎样出现的呢？
到19世纪末，一些理论家走向另一个极端，认为生命是永恒的。最流行的一种学说是阿伦尼乌斯（就是提出电离概念的那位化学家）提出来的。1907年，他出版了一本书，名为《宇宙在形成中》，描述了一个一直有生命存在的宇宙，这些生命穿过空间进行迁移，不断在新的星球上开拓居住地。生命是以孢子的形式旅行的，孢子随意移动逃出星球的大气层，然后在太阳光压力的推动下穿过空间。
光的压力是一种可能的推动力，这种说法并不可笑。麦克斯韦就首先预言辐射压力在理论上是存在的，而1899年俄国物理学家列别捷夫用实验证明这种压力确实存在。
当时，阿伦尼乌斯的观点认为，孢子被光辐射推动着，不断地在星际空间里到处旅行，直到它们死去或落在某个星球上，在那里它们会生长成活跃的生命并与已经存在的生命竞争，如果那个星球还没有生命居住而又适合居住，它们就会给那个星球带去生命。
乍一看，这个学说显得很有吸引力。细菌孢子被一层厚被膜保护着，非常耐冷和耐脱水，可以想象在真空的空间里会存活很长的时间。而且，它们的大小正好使它们受太阳辐射向外压力的作用大于太阳重力的向内引力。但是阿伦尼乌斯的说法在紫外线的攻击下失败了。1910年，实验家们证实，紫外线能够迅速杀死细菌孢子；而且在星际空间太阳的紫外线是很强的，更不要说其他一些破坏性的辐射（如宇宙射线、太阳的X射线以及像环绕地球的范艾伦带那样的带电粒子区等）了。可以设想某个地方可能有抗辐射的孢子，但是，据我们所知，由蛋白质和核酸构成的孢子无法达到这种程度。诚然，1966年，在双子座9号航天器里，一些特别有抵抗力的微生物受到外层空间的辐射，它们在未过滤的强烈阳光下存活了6个小时。但是我们所说的不是暴晒几个小时，而是成年累月地暴晒。
此外，如果我们假设，地球上之所以有生命，是因为其他地方产生的一些生命在地球上留下了种子，那么我们会问，生命在其他地方又是怎样开始的呢？因此，这个种子的说法不能解决问题，只是把问题转移到别的地方而已。
化学进化过程
虽然直到今天有些科学家仍然对传播种子的可能性很感兴趣，但是大多数科学家认为，应该弄清楚地球上生命起源的合理机制。
他们又回到自然发生说，不过有一点不同：巴斯德以前的观点认为，自然发生是在现在发生的，进展很快；现在的观点则认为，自然发生是在很久以前，而且经历了一个非常缓慢的过程。
自然发生不可能在现在发生，因为任何物质即使接近最简单形式的生命所需要的复杂性，都会被已经存在的无数种生命的一种作为食物而吸收。因此，自然发生只能发生在还没有生命存在的星球上，而35亿年前的地球可能就是这种情况。
另外，生命也不可能在富含氧的大气里产生。氧是一种活泼元素，它可以与构成接近生命的化学物质结合，把它们再分解。但是，正如我在第五章 中所谈到的，科学家们认为，原始大气是一种还原大气，不含游离的氧。事实上，一种可能是，地球的原始大气是由含氢的气体如甲烷（CH4）、氨（NH3）和水蒸气（H2O）组成的，也许还有一些氢（H2）。
这样一个高度氢化的大气，我们可以称之为大气Ⅰ。通过光离解，大气Ⅰ会缓慢地变成由二氧化碳和氮组成的大气（见第五章 ），可称为大气Ⅱ。此后，在高层大气里形成一个臭氧层，自发的变化就停止下来。那么，生命会不会在大气Ⅰ或大气Ⅱ中就已经形成了呢？
尤里认为，生命是在大气Ⅰ里开始的。1952年，S.L.米勒（当时他是在尤里实验室工作的一位研究生）设计了一种模拟原始大气的装置，他让水、氨、甲烷和氢的混合物在装置里循环，中间通过一个放电器产生的电火花（模拟太阳的紫外线辐射）。一周后，他用纸色谱法分析所得到的溶液，发现除了不含氮原子的简单物质外，还有甘氨酸和丙氨酸（两种最简单的氨基酸），而且好像还有一两种更复杂的氨基酸。
S.L.米勒的实验有几个方面值得注意。首先，这些化合物形成得快而且多，数量令人吃惊，他在实验开始时加入的甲烷有1/6合成为更复杂的有机物，而实验仅仅持续了一周。
而且，在S.L.米勒的实验中形成的那类有机分子正是活组织中所具有的。这些简单分子会变得越来越复杂，它们所走的路径似乎直接地朝向生命。在后来更精密的实验中，这个朝向生命的进程一直在继续着，但从未大量形成过似乎朝向陌生的非生命方向的分子。
于是，艾贝尔森仿效S.L.米勒的工作，以各种气体的不同组合为起始物质，进行了多种类似的实验。结果发现，只要用含有碳、氢、氧和氮原子的分子开始，就能形成蛋白质中通常具有的那些氨基酸。电火花也不是实验的惟一能源。1959年，两位德国化学家格罗特和威森霍夫，设计了一种可以利用紫外线的实验，他们也得到了氨基酸。
假如有人怀疑朝向生命是一条阻力最小的路径的话，请看这样一个事实：20世纪60年代后期，在外层空间的气体云里（见第二章 ）发现的分子越来越复杂，这些分子代表着朝向生命的最初阶段。如果是这种情况，那么，可能在由气体尘埃云形成地球的时候，形成复杂分子的最初阶段就已经开始了。
所以，在地球刚形成的时候，可能就已经有许多氨基酸。1970年，人们找到了支持这个学说的证据。斯里兰卡出生的生物化学家庞南佩鲁马研究了1969年9月28日落在澳大利亚的一块陨石。经仔细分析证明，陨石里含有微量的5种氨基酸：甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸、缬氨酸和脯氨酸。这些氨基酸没有旋光性，所以它们不是由生命过程形成的（因而它们的存在不是地球上污染的结果），而是由S.L.米勒烧瓶里发生的那种非生命的化学过程形成的。
实际上，霍伊尔和一位印度同事威克拉马辛吉对这个发现留下了极为深刻的印象。他们觉得这种合成远远超出了已经被发现的东西。他们认为，在空间能够形成少量极微小的生命，虽然在天文距离上探测不出来，却肯定具有重大意义。
不仅在遥远的气体尘埃云里，而且在我们太阳系的彗星里，都可能形成这些小生命。因此，地球上的生命可能是由彗尾带给地球的孢子开始的。（说实在的，几乎没有人把这个推测当回事。）
化学家们能不能在实验室里超越氨基酸阶段呢？这样做的一个方法是，开始时使用较多种的原料，并让它们接受较长时间的能源处理。这样就会产生越来越多的更复杂的产物。但是，这些产物的混合物也会变得越来越复杂，因而更加难以分析。
化学家们可以利用的另一个方法是从后来的某个阶段开始，可以把早期一些实验中形成的产物当作新的原料使用。S.L.米勒的一个产品是氰化氢。1961年，西班牙血统的美国生物化学家奥罗把氰化氢加入起始混合物中，他得到了比较丰富的氨基酸混合物，甚至还有一些短肽；他还合成出嘌呤，特别是腺嘌呤，它是核酸的一个重要成分。1962年，奥罗利用甲醛作为原料之一，制造出了核糖和脱氧核糖，也是核酸的成分。
1963年，庞南佩鲁马也做了类似S.L.米勒的实验，用电子束作为能源，结果也有腺嘌呤形成。他和马里纳及萨根一起，进而把腺嘌呤加入核糖溶液，在紫外线照射下形成了腺苷（一种把腺嘌呤和核糖连接在一起的分子）。如果此时还有磷酸存在，磷酸也会被连接起来，从而形成腺嘌呤核苷酸。假如加入3个磷酸基，就会形成腺苷三磷酸（ATP）。在第十二章 中已经讲过，腺苷三磷酸是活组织的能量处理机制所必不可少的。1965年，他合成了二核苷酸（2个核苷酸连接在一起）。如果在这个方面的各种实验所使用的混合物里加入氨基氰（CNNH2）和乙烷（CH3CH3）一类的物质（这类物质在原始时期很可能存在），就会形成其他产物。因此，毫无疑问，在原始的海洋和大气里，正常的化学和物理变化可能就是这样发生的，从而形成了蛋白质和核酸。
在没有生命的海洋里形成的任何化合物都会保留和积聚起来，因为没有生物（不论大小）去消耗它们或使它们腐烂。此外，原始的大气中没有氧化和分解分子的游离氧，惟一可以分解复杂分子的重要因素正是形成它们的紫外线和辐射能。不过，海流可能把大量的这类物质带到了海洋中层的安全地带，既远离了紫外线照射的海面，又远离了具有放射性的海底。实际上，庞南佩鲁马和他的同事们已经估计出，足有1%的原始海洋是由这些积聚的有机物构成的。如果真是这样，这种物质会超过1000万亿吨。这么大的数量足够各种自然力对付的了；在如此大量的物质中，即使最复杂的物质也一定能在不太长的时期内形成（如果考虑到有10亿年的时间可供利用，就更不成问题了）。
因此，完全可以合乎逻辑地推测，随着时间的推移，从原始海洋和大气的简单化合物里出现了浓度越来越高的比较复杂的氨基酸和简单的糖类；氨基酸结合形成肽；嘌呤、嘧啶、糖和磷酸结合形成核苷酸；又经过若干年代，逐渐形成了蛋白质和核酸。最后一定会发展到关键的一步——通过偶然的组合，形成能够诱导复制的核酸分子。这个时刻标志着生命的开始。
因此，在生命自身的进化以前有一个化学进化的时期。
似乎一个单个的生命分子就足以使生命开始发展并产生出整个世界的各种不同的生物，正如一个单个的受精卵能够产生一个非常复杂的生物一样。在当时构成海洋的有机“汤”里，第一个生命分子可能成亿成亿地迅速复制和自身一样的分子。偶然的突变会产生形式稍有改变的分子，而那些在某方面比其他分子效率更高的分子会牺牲它的邻居而繁殖起来，从而取代那些旧分子。如果一组分子在温水中效率比较高，而另一组在冷水中效率比较高，这样就会产生两个种，每个种都局限在最适合自己生存的环境中。这样有机进化的过程就运转起来了。
即使一开始有多个独立存在的生命分子出现，也很可能效率最高的一个比其他的都繁殖得快，所以今天所有的生命很可能是由一个单个的原始分子传下来的。尽管现在存在着各种各样的生物，但它们都具有相同的蓝图。它们的细胞都以大致相同的方式进行代谢。此外，所有生物的蛋白质都是由L-型而不是D-型氨基酸构成的，这一点似乎特别值得注意。也许发展成各种生命的原始核蛋白碰巧是由L-型氨基酸构成的；由于D-型氨基酸不能与L-型氨基酸结合成任何稳定的链，所以开始时碰巧由L-型氨基酸构成的蛋白质便一直自我复制而变得极其普遍了。（这并不意味着自然界里完全不存在D-型氨基酸。在某些细菌的细胞壁里和某些抗菌素化合物里有D-型氨基酸。不过，这些都是罕见的例子。）
最初的细胞
当然，从生命分子到我们今天所知道的生命仍然有很大的距离。除了病毒以外，所有的生命都是由细胞构成的，而一个细胞（不论以人为标准看上去多么小）在化学结构和相互关系方面是极其复杂的。细胞是怎样开始的呢？
美国生物化学家S.W.福克斯的研究阐明了细胞起源的问题。他认为，地球在很久以前一定非常热，因此单靠热能就足以使简单的化合物形成复杂的化合物。1958年，为了验证这个假说，福克斯把氨基酸的混合物加热，发现它们形成了类似蛋白质分子的长链。这些类蛋白可以被消化普通蛋白质的酶所消化，并可以作为细菌的食物。
最令人惊奇的是，当福克斯把类蛋白溶于热水中并让溶液冷却时，他发现类蛋白会凝集成小中心球，大小像小的细菌。以通常的标准来看，这些中心球不是活的，但它们的表现却和细胞一样，至少在某些方面是如此（例如，它们都有一层被膜）。往溶液里加入某些化学药品，福克斯可以使中心球膨胀或收缩，非常像普通的细胞。它们能够产生芽，有时芽似乎长大一点，然后脱落下来。中心球能够分裂，一个分裂成两个，也能够凝集成链。
可能在原始时期，地球上形成了许多种这样微小而不完全有生命的物质聚合体。有些聚合体特别富含DNA并且非常善于自我复制，但只能一般地储存能量；另一些聚合体储存能量比较多，却不善于自我复制。最后，这些聚合体可能结合在一起，互相合作，互相弥补缺陷，从而形成了近代的细胞。细胞比组成它的任何单独部分效率都高。近代的细胞至今仍然含有细胞核（富含DNA，但自身不能利用氧）和许多线粒体（能非常有效地利用氧，但没有细胞核不能进行自我复制）。（事实上，线粒体仍然具有少量的DNA，这表明线粒体可能曾经是独立的实体。）
诚然，近些年来，人们越来越怀疑大气Ⅰ没有持续多久，而大气Ⅱ几乎在开始时就有了。例如，金星和火星都有大气Ⅱ（含二氧化碳和氮），当地球像金星和火星那样没有生命的时候，可能也是有大气Ⅱ。
这并不是一个重大的改变。二氧化碳、水蒸气和氮仍然能够形成简单的化合物。大概在雷电的影响下，氮和二氧化碳或水（或二者）结合，可以转化成一氧化氮、氰化物或氨；然后，在阳光和其他能源的作用下，分子的变化继续朝着生命的方向发展。
动物细胞
在大气Ⅰ和大气Ⅱ存在的整个阶段，原始的生命形态只有靠把复杂的化学物质分解成比较简单的化学物质，并把这个过程中释放的能量储存起来，才能维持生存。比较简单的物质在太阳紫外线辐射的作用下重新形成复杂的物质。一旦大气Ⅱ完全形成并有了臭氧层，这些原始的生命形态挨饿的危险就会到来，因为紫外线的供应切断了。
可是，到那时已经形成了一些类似线粒体的聚合体，它们含有叶绿素（即近代叶绿体的祖先）。1966年，加拿大生物化学家霍德森和B.L.贝克用吡咯和甲醛（二者都可以用更简单的物质以米勒式的实验合成）作为起始物质，只经过3个小时的温和加热，就形成了叶绿素的基本结构卟啉环。
在臭氧层形成的时候，含有最初原始叶绿素的聚合体尽管不能有效地利用可见光，但一定比逐渐饿死的无叶绿素聚合体好得多。可见光能够轻易地穿过臭氧层，而且可见光比较低的能量（与紫外线相比）足以激活叶绿素系统。
最初利用叶绿素的生物体可能还不如今天的单个叶绿体复杂。实际上，现在有2000多种叫做蓝绿藻的单细胞光合作用的生物体（它们并不全是蓝绿色，但最初研究的一些是这种颜色）。它们都是非常简单的原核生物，结构和细菌非常相似，只是它们含有叶绿素而细菌没有。蓝绿藻可能是原始叶绿体的最简单的后代，而细菌可能是失去叶绿素的叶绿体的后代，它们靠寄生或从死组织及其成分中获取养分。
当叶绿体在原始海洋中繁殖的时候，二氧化碳逐渐减少而为分子氧所取代，于是形成了现在的大气Ⅲ。植物细胞的效率不断提高，每个细胞都含有许多叶绿体。同时，没有叶绿素的精细细胞已不能靠以前的基础生存，因为除了在植物细胞里，海洋里不再形成新的食物。然而，这些细胞虽然没有叶绿素，却具有精细的线粒体装备，可以高效率地分解复杂分子并把分解时的能量储存起来，因此，它们可以靠摄取植物细胞和剥夺植物细胞辛苦合成的分子来生存。动物细胞就这样产生了。最后，生物体变得非常复杂，开始留下我们今天所看到的动植物的化石记录。
同时，从创造新生命的观点来看，地球环境发生了重大改变。生命再不能由纯化学进化来产生和发展了。首先，最早使生命出现的能量的形式（紫外线和辐射能）基本上消失或至少严重地减小了；其次，已经确立的生命形态会将自生的任何有机分子很快地消耗掉。由于这两个原因，实际上已经不存在任何由非生命变为生命的新的独立的突破（除非人类在将来学会某种方法去干预）。我们可以认为，自然发生在今天是根本不可能的。
其他星球上的生命
如果我们接受这个观点，即生命只是由物理和化学定律的作用产生的，那么，我们就会得出这样的结论，生命很可能不局限于地球。在宇宙的其他地方生命存在的可能性又如何呢？
当最初人们认为太阳系的各个行星都是一个世界时，理所当然地认为它们的上面都住有生命，甚至有智慧生命。后来发现月球上没有空气和水，因此很可能也没有生命，对此人们感到有些震惊。
在具有火箭和探测器（见第三章 ）的现代，科学家们确信，不仅月球上没有生命，而且除地球以外，内太阳系的其他行星上也都没有生命。
外太阳系也没有多少生命存在的可能性。诚然，木星有一层深厚而复杂的大气，可见云层的温度很低，但云层内部的温度很高。某些地方深度和温度都适当，并且已经知道有水和有机化合物，人们会设想（如同萨根所提出的）那里可能有生命存在。如果木星上有生命的话，三颗其他气体巨行星上可能也有生命。
此外，木卫二星上覆盖着一层冰；但是，由于木星潮汐效应会使冰融化，所以冰下面可能是一个水的海洋。土卫六有一层由甲烷和氮组成的大气，而且表面上可能有液态氮和固态有机化合物，海卫一可能也是这种情况。可以设想，在这三颗卫星上可能存在着某种形式的生命。
不过，这些都是推测而已。我们虽然可以满怀希望，但老实说，不会得到什么结果。目前我们只能合理地假设，就太阳系来说，似乎只有地球是一个生命的住所。但是，太阳系并不是宇宙的全部。在宇宙的其他地方会不会有生命存在呢？
在已知的宇宙里，恒星总数估计至少有1×1021（十万亿亿）颗。在我们自己的银河系里，恒星数超过2×1011（二千亿）颗。如果所有这些恒星的发展过程都和我们所说的太阳系的形成过程一样的话（即由大块的气体尘埃云凝集而成），那么，可能没有一颗恒星是孤单的，而每一颗恒星都是含有不止一个星球的本星群的一员。我们知道，有许多绕着一个共同中心旋转的双星。据估计，至少有一半的恒星都属于含有两个或两个以上恒星的系统。
不过，我们真正需要的是一个多重星系，其中许多成员小得不能自己发光，而且它们是行星而不是恒星。虽然到目前为止我们还无法直接探测我们太阳系以外的任何行星（即使是最近恒星的行星），但是我们可以收集间接的证据。在荷兰血统的美国天文学家范德坎普的指导下，斯沃思莫尔学院的斯普罗尔天文台进行了这项工作。
1943年，天文学家们发现，双重星系天鹅座61中，有一颗恒星运行有点不规则，他们推测一定还有第三颗小得不能自己发光的星存在。这第三个成员（天鹅座61C）的质量应该大约是木星的8倍，因此直径大约为木星的2倍（假定它们的密度相同）。1960年，又探测到一颗同样大小的行星在围绕着小恒星拉朗德21185运转（至少发现，用它的存在解释这颗恒星运行的不规则性最符合逻辑）。1963年，对巴纳德恒星的仔细研究表明，那里也存在着一颗行星，质量只有木星的1～1.5倍。
在距离我们最近的恒星中，巴纳德恒星排第二位，拉朗德21185排第三位，天鹅座61排第十二位。一般来说，除非行星系非常普遍，否则在这样靠近我们的地方存在着3个行星系是极其不可能的。当然，恒星的距离遥远，只能探测到最大的行星，甚至连最大的行星也很难探测到。因此，哪里有超木星的行星存在，哪里也会存在着比较小的行星，这种假设是完全合理的（甚至是必然的）。
可惜，使人们假设这些太阳系外行星存在的观察很不清楚，而且接近了能够观察的极限。天文学家一般都非常怀疑，这些行星的存在已经真正得到了证明。
但是，一种新的证据接着出现了。1983年，红外线天文卫星（IRAS）绕地球轨道运行，它是为探测和研究天空中的红外线源而设计的。8月，天文学家奥曼和吉勒特把探测系统对准了织女星，他们惊讶地发现，织女星红外线的亮度比理论值大得多。进一步的研究表明，红外辐射不是来自织女星本身，而是由靠近它的周围发出的。
显然，织女星由一物质云层包围着，云层向外延伸的距离是冥王星轨道到太阳的距离的2倍。据推测，云层是由比尘粒大的粒子组成的（或者它在很久以前就被织女星聚集起来了）。织女星比我们的太阳年轻得多，因为它还不到10亿年；同时，织女星的光度是太阳的60倍，所以星风比太阳强烈得多，星风可以起到不让粒子聚集的作用。鉴于这两个原因，人们可以期望织女星有一个正在形成过程中的行星系。在碎石组成的巨大云层中可能已经包括一些行星般大小的物体，它们正在逐渐地清扫它们的轨道。
这一发现有力地支持了在宇宙中行星系大概就像恒星一样普遍的假设。
但是，即使假设所有（或大部分）的恒星都有行星系，而且其中许多行星如同地球般大小，我们还必须知道这些行星是否符合居住的标准。美国空间科学家多尔在他的《适合人类居住的行星》（1964）一书中，对这个问题作了特别的研究并得出某些结论，尽管是推测，但很有道理。
他指出，首先，要拥有适合居住的行星，恒星的大小必须适当。恒星越大，其寿命就越短；如果恒星过大，它的寿命就不足以让行星完成形成复杂生命形态以前的漫长的化学进化过程。恒星过小则不能给行星以足够的温暖，除非行星非常靠近恒星，但这样又会受到潮汐效应的破坏。多尔的结论是，只有光谱型在F2到K1之间的恒星才适合于给行星提供营养物，使人类在行星上舒适地生活，这样的行星我们不需要太费力就可以定居下来（假如星际旅行能实现的话）。多尔估计，在我们的银河系里有170亿颗这样的恒星。
