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还有一点是关于直到今天依旧适用的新性状的：新性状的出现有赖于新的分子和合成这些新分子的化学反应的存在。为了理解新性状出现的原理，我们有必要先探讨生命物质分子的起源。
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组成生命的物质分子并不是生命本身，就像一堆砖头和木材根本算不上是一栋大楼。至少，生命还需要一张包含许多获取能量、合成生物体所需物质分子的化学反应网络，这张网络也被称为新陈代谢。生命还需要有增加自身数量的能力，即自我复制，以遗传的方式将自己的优势特征传递给子代个体。如果没有子代对亲代性状的遗传，达尔文主义者的进化论就成了空谈，自然选择也就没有了意义。
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不过这并不意味着新陈代谢和自我复制总是两者兼有。即使在你生活的周围，这两者也不总是同时存在的。病毒可以自我复制但其本身并没有新陈代谢的能力，它们通过劫持宿主细胞作为自身新陈代谢的厂房。真正的生命体必须同时拥有新陈代谢和自我复制的能力，而这导致了我们遇到的第一个“鸡与蛋”的问题：到底是先有新陈代谢，还是先有自我复制？
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也许是出于对DNA双螺旋结构的喜爱，主流科学界曾经一度认为是自我复制首先登上了历史舞台。但是由于现今自然界存在的自我复制现象非常精致而复杂，要解释它的起源可不是件轻而易举的事。此外，DNA的脱氧核苷酸序列只是遗传信息的载体，它们不能自我复制。DNA会首先被转录为RNA，RNA再被翻译为相应的蛋白质（如图1-1），而蛋白质才是生物功能的执行者，包括转录和复制。
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生物体的功能都由拥有不同氨基酸序列的蛋白质合力完成，没有一种蛋白质可以单独完成这些任务。如此精确复杂的分工又引发了另一个“鸡与蛋”式的问题，这次是有关于蛋白质和核酸（核酸是RNA和DNA的总称）的，这两者到底是谁先出现的呢？考虑到我们之前所说的概率问题，要求两者在自然界同时出现似乎有点不切实际。如果最初的生命是以一个自我复制体的形式存在的，那么这个“亚当”或者“夏娃”分子必须足够有能耐才行，它既要能储存自身的遗传信息，又要能自我复制。
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当1953年发现双螺旋模型的时候，沃森和克里克就已经意识到，DNA复制的关键在于DNA碱基对的互补性：鸟嘌呤与胞嘧啶配对，腺嘌呤与胸腺嘧啶配对，这种配对将双螺旋的两条单链黏着在一起。他们的原话是，这“马上就让人联想到了一种遗传物质复制的可能机制”。这种机制几乎当即就把蛋白质作为最早复制体的可能性排除在外，没有像DNA双螺旋分子那样将两条单链配对的简单互补原则，由氨基酸组成的蛋白质无法以沃森和克里克所说的方式传递遗传信息。
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综上所述，蛋白质并不是一种理想的自我复制分子。但是核酸似乎也没有比别的分子好到哪里去。核酸能够胜任蛋白质执行的生物功能吗？它们能够催化自身的复制吗？甚至，它们真的有催化活性吗？DNA分子的作用和结构似乎注定了这些问题的答案都是否定的。DNA最基本的任务是储存信息，为此它可以牺牲其他一切。它懒惰、保守，在生物体中一代又一代地保持传递。所以在酶被发现之后的半个多世纪里，科学家一度认为只有蛋白质可以催化化学反应，而核酸则没有这个能耐。
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这让第一个自我复制体究竟是何方神圣显得扑朔迷离。直到1982年，化学家托马斯·切赫（Thomas Cech）和西德尼·奥尔特曼（Sidney Altman）才把RNA从丑小鸭变成了白天鹅。RNA曾经一度是分子生物学的继子，备受冷落。它的主要作用是将DNA的遗传信息转移到核糖体，后者是细胞内一台庞大而复杂的蛋白质合成机器。但前述两位科学家却发现，RNA能够在某些化学反应中起到催化剂的效应。
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RNA也能像蛋白质一样催化化学反应的惊人发现，本身就像一剂科学的催化剂。很快，科学家们就意识到RNA拥有久远的历史，甚至比蛋白质和DNA都要古老，在生命混沌初开的时候，RNA就是那个失落世界里的统治者。不过，和失落的亚特兰蒂斯不同，早期的生命世界还是为我们留下了许多它存在过的线索。RNA曾经作为生命体关键分子的证据之一，便是它当今仍然在生物体中所起的核心作用。举例来说，核糖体由数十种蛋白质以及数种RNA分子构成，而在装配氨基酸、合成蛋白质的时候起到催化作用的恰恰是那几种RNA分子，而非蛋白质。事实上，这些蛋白质本身恰恰是通过RNA催化合成的。
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远古时期，RNA可能同时肩负着储存遗传信息和催化自我复制两种作用，但我们对于它如何做到这点却一直百思不得其解。为了说明最早出现的生命形式，我们不妨将起源之初的生命抽象为一个能够自我复制的简单分子。这个单分子将非常类似于RNA复制酶（RNA replicase），一种能够催化RNA复制的酶。
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如今，世界上一些最优秀的化学家正在全力寻找这种简单的复制酶。他们迄今为止最好的成果是合成了一段长度为189个核苷酸的RNA，这段RNA具有一定的增殖行为，但它远不具备自我复制的能力，能够作为模板进行复制的区域仅包含其中的大约14个核苷酸。但是这依然启发我们，如果能够解决几个关键问题，RNA自身催化复制是完全可能的。其中一个主要的问题恰恰在于碱基互补性。
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互补的碱基对会自动配对，也就是说一条母链和互补的子链能够退火[6]成一条双链RNA，就像双链DNA的形成过程一样。为了复制出更多的RNA，双链分子必须要解旋为单链，以便每条链上的信息可以被阅读。不过一旦你或复制酶将双链分开，互补的碱基对就会马上退火，像透明胶一样互相黏着在一起。所以对于RNA的自我复制而言，成也碱基互补，败也碱基互补，这是一把双刃剑。
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最初的复制酶面临的另一个问题是必须绝对精确，因为任何复制错误都会导致误差灾变（error catastrophe）[7]。这个模型最初是由诺贝尔奖得主、化学家曼弗雷德·艾根（Manfred Eigen）发现和提出的。
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如果要理解误差灾变模型，不妨想象一下中世纪抄写宗教经典的僧侣，他们逐字逐句地抄写枯燥的经文，如果有一个僧侣抄错了一个单词，那么这个错误的单词就会被另一个僧侣继续抄录下去。同样的道理，其他僧侣也可能在抄录经文的同时混入自己的错误，一传十，十传百，日复一日，年复一年，总有一天，宗教的经典会变成一堆逻辑混乱、毫无意义的文字垃圾。
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RNA复制酶也面临着同样的问题，它如同一本分子经文，只是在RNA的世界里有一点小小的不同：复制酶本身既是经文，又是抄写经文的僧侣。RNA复制酶是一本自我抄写的书，抄录过程中出现的错误不仅影响文本本身，还会同时影响它本身复制的能力。这就好比犯错的僧侣不光写错了经文，他所犯的错误还让后来抄录经文的继承者头脑不清，变得更加容易犯错。
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只有那些几乎不犯错的复制酶才能保全核酸酶本身的遗传序列，从而保全其自我复制的能力。如果复制酶的准确性太低，催化产物多数为有瑕疵的复制酶，效率低下，或者催化复制更加不准确，随着时间的推移，这些催化产物最终会降解为无用的分子碎片，最初的编码信息也随之丢失。1971年，在曼弗雷德·艾根获得诺贝尔奖4年之后，他尝试计算了如果要规避误差灾变，复制酶应当具备的复制准确度。计算结果显示，复制酶的长度越长，所需的精确度就越高。套用一个简单的估计方式，一个长度为50的复制酶需要低于1/50的复制错误率，而长度为100的复制酶的错误率则需要低于1/100，以此类推。即使是我们在上文中提到过的那个长度为189的“最佳成果”，它的复制错误率依旧数倍于此。即使它可以完整地复制自己，所得的分子后代的命运也不过是径直滚下误差灾变的万丈悬崖，万劫不复。
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幸运的是，生命在这方面的造诣远远超过当下的人类。催化DNA复制的蛋白酶，其误读率低于1/106。这种精确性的代价是其作用方式的高度复杂性。催化复制的酶包括一些功能高度专精的蛋白质，它们负责校对和修正其他酶的复制错误，这相当于有一群分工明确的僧侣，互相检查抄录的经文内容。编码这些蛋白质需要相当长的基因，远非原始的RNA复制酶可以相比。为了确保遗传信息复制的完成度，RNA复制酶催化的复制反应必须高度精确。你或许会发现一个新的“鸡与蛋”式的问题已经呼之欲出了，它的另一个名字是艾根悖论（Eigen’s paradox）：精确的复制需要庞大而复杂的酶分子进行催化，而庞大和复杂的酶分子则需要精确的复制来保证。直到今天，大自然也没有为我们指出任何解决这个悖论的出路，不过我们将会在第6章中看到，生物的进化方式为我们提供了些许线索。
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互补的RNA分子之间顽固的黏着性，以及要命的艾根悖论，都让“自我复制先于新陈代谢出现”的观点显得岌岌可危。但是如果和接下来的第三个问题相比，它们简直就是珠穆朗玛峰山脚和山顶的区别：从哪里获得充足的原料以满足复制的需要？复制所需的原料是富含化学能的分子，它们包含了几乎所有需要的化学元素，包括碳元素、氮元素以及氢元素。举个例子，现代生物体中的蛋白质催化DNA复制时，每秒钟需要消耗大约1 000个脱氧核苷酸分子。
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即便最初出现的复制酶效率非常低下，每秒钟只能消耗一个脱氧核苷酸分子，大概需要三分钟才能完成自身的复制，由此可以看出，复制对于原料的需求依旧不会因此而降低。原因在于，每个复制酶在一变二之后就分别成为一个复制酶，酶的数量以及这些酶催化生成更多酶的能力也随之增加。以现代的眼光来看，虽然早期复制酶的催化效率奇低无比，但是以一变二的复制方式依旧导致了指数级的增长方式和对复制原料的巨大需求。只需6个小时，这种增殖方式就需要消耗掉1吨核苷酸，一天之内消耗掉2.5吨，而一周后这个数字将超过80万吨。
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生命的本质，正是一支贪得无厌、如狼似虎吞噬高能物料的分子大军，和所有行军的队伍一样，一旦切断补给，生命就会迅速崩溃。不仅如此，鉴于达尔文进化论和自然选择建立在物种大量繁殖，即复制的基础上，如果没有持续供应的食物链，两者都将成为空谈。另外，复制酶也和士兵一样争强好胜。在竞争中处于下风的分子最终将会由于复制不出足够数量的本体遭到淘汰，而饥饿会加快劣势分子消失的速度。没有足够的原料，生命就如同一根受潮的火柴，在贫瘠的地球上昙花一现，而后销声匿迹。
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米勒的实验以及外太空播撒到地球的化学物质，都不足以支持早期地球上的那支饥饿的军队。虽然它们都带来了生命的重要组分，比如氨基酸，但是仅凭它们还远不足以解决早期生命的温饱。米勒当初的实验花费了数日才由1 000克无机碳获得几微克的有机分子。而纵观整个地球历史，虽然从古到今陨石为地球带来了数以百万吨的有机碳，但远水救不了近火。在地质史早期，嗷嗷待哺的复制酶未必能够等到从天而降的那一块陨石。指望陨石养活地球上最早的生命，相当于你坐在家里并期待每隔几天，就有一辆运送肥料的卡车撞进自家后院的花园里。
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虽然双螺旋充满美感的结构诱惑着它的拥护者们竭力维护“自我复制早于新陈代谢出现”的观点，但上述三个问题还是不由得让人怀疑这是本末倒置。自我复制优先理论的支持者们幻想出了一家光鲜亮丽的汽车工厂，却忽略了零件供应商的重要性。没有零件供应商为工厂提供足够数量的轮胎、轮轴、变速器以及引擎，工厂里再高通量的流水线也不过是形同虚设，毫无意义。如果供应商效率低下、货源不足，导致工厂几年才能生产出一辆车，那么产量缩水、工厂倒闭就几乎不可避免。这个困境的解决方法显而易见：在第一个能够自我复制的分子出现之前，一张为生命提供各种原料的化学反应网络就已经准备就绪，为生物体源源不断地提供所需的物质。
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换句话说，生命的开端不应当是一个可以自我复制的分子，而是一张新陈代谢的网络。
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