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冥古宙（Hadean Eon），指40多亿年前的地球，也是地质历史的开端。冥古宙的名字取自古希腊神话中的地底世界，早期的地球也的确是一个地狱般的地方。地球诞生之初表面覆盖着炽热的岩浆，大气里弥漫着炙热的浪潮。即便后来表面的岩浆冷却，凝结成坚硬的地壳，地球也不是什么生机勃勃的地方。如果有天外来客拜访过冥古宙时期的地球，它们将看到地球表面遍布无数坑坑洼洼的火山，还有滚烫的蒸汽雨落进原始海洋里。如果不是巨大的大气压（当时大气的密度远远大于现代大气），地球上的海洋早就蒸发干了。
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无须多说，人的身体根本无法承受在这样的大气里呼吸的压力，更别提大气里有致死剂量的二氧化碳和氢气。另外，抱头找掩体也是个好主意，因为在一个叫晚期重轰炸期（Late Heavy Bombardment）的阶段，许多巨大的小行星不间断地撞击着原始的地球。如今，地球上大部分小行星的撞击痕迹已经被地质运动抹平，但你依然可以在夜空的月亮上看见巨大、阴森的环形山。通过岩石中含有的化学时钟，即随着时间推移稳定衰减的放射性元素，比如铀元素，我们就可以推算出这些小行星，乃至地球的年龄。
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地球早期历史中最惊人的莫过于最恶劣的时期过去之后，生命出现的速度，这开始于大约38亿年前。在之后的大约4亿年间，地球上出现了迄今为止发现的化石证据中最古老的微生物。西格陵兰岛（West Greenland）岩层中的碳氢同位素指示出，在38亿年前左右，最古老的新陈代谢反应已经出现。这意味着生命是利用时间的一把好手，在应当登场的时候毫无延误地出现在了地球上。这样看来，生命以及生命背后驱动新性状出现的动力似乎并不是多么神秘莫测的东西。驱使进化发生的动力本身和生命一样古老。
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地球上生命的起源需要用化学理论来解释，其中最早的理论被称为“原始汤”假说，人们通常认为这个理论的提出者是亚历山大·奥帕林（Alexander Oparin）以及霍尔丹，正是那个在20世纪20年代提出现代综合进化论的霍尔丹。值得一提的是，富有洞见力的达尔文早在他们之前半个世纪就有过类似的想法。在1871年写给朋友约瑟夫·道尔顿·胡克（Joseph Dalton Hooker）的信中，达尔文推测说：“如果有这样一个温暖的小池子（这个如果是多么异想天开啊），里面有各种氨磷盐，另外还有光源、热源和电等，这里的蛋白质能够自动形成继而参与到更复杂的后续反应中。”与此同时，达尔文也告诉了我们为什么如今找不到这种“温暖的小池子”：以如今生物的代谢速度，池子里的成分会立马被现今的生物体吸收以至吞噬殆尽。
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“原始汤”理论一直作为一个假说存在了数十年。直到1952年，诺贝尔奖得主哈罗德·尤里（Harold Urey）位于芝加哥大学实验室的研究生斯坦利·米勒（Stanley Miller），为这个假说提供了强有力的证据支持。在合理推测地球早期大气的主要成分之后，米勒把这些气体密封在一个容器内，以电火花模拟原始大气中的闪电，并用冷凝水模拟降雨。几天过后，许多有机分子——那些通常由生命体合成的成分，出现在了米勒的迷你世界里。这个实验的意义非凡，因为它显示在我们居住的这颗行星动荡不安的年轻岁月里，有机质能够从无机质转变而来。米勒的原始海洋里出现的有机质并不是普通的有机质，而是组成现代蛋白质的原料分子：氨基酸，如甘氨酸和丙氨酸。后续的实验中甚至出现了许多其他组成生物体的物质，包括糖类和DNA的组分物质。米勒实验最重要的意义在于，它把有关生命起源的讨论从哲学思考上升到了实验科学的范畴。
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1969年9月，人们在比1952年米勒模拟的原始地球更恶劣的环境里发现了生命物质。那年9月的某一天，默奇森（Murchison）上空突然出现了一个爆炸的火球，这个有着数百号居民、位于墨尔本北部约160公里的小镇上空犹如出现了第二个太阳。在爆炸发生之后，陨石在空中留下一道浓烟后碎裂成大大小小的碎片，最大的一块落在了一座谷仓里，所幸没有造成伤亡。这起陨石坠落发生在人类首次登月两个月之后，当时的科学家对于任何研究天外来石的机会都心痒难耐。
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在默奇森陨石中，当时的科学家发现了不得了的东西。在来到地球之前，默奇森陨石已经在太空里游荡了数十亿年，它的年龄几乎和地球一样。就是在这块陨石里，科学家发现了数种构成蛋白质的氨基酸，以及作为DNA主要成分的嘌呤和嘧啶。在后续研究中，应用21世纪的分光镜技术进行的分析显示，默奇森陨石中含有超过一万种不同的有机成分。
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默奇森陨石并不是自然界的一朵奇葩，我们有必要知道这一点：在无数其他来自宇宙的陨石中也同样发现有有机物质的存在。幸运的是，宇宙中的分子由于结构不同而存在不同的辐射发射与吸收特征，技术发展到今天，借助极度灵敏的射电望远镜，我们已经不需要等到陨石撞击地球，就能根据波长信号区分出遥远星云中数百种有机成分在不同波段的喃喃细语。实际上，应该说它们简直是在“呐喊”。星云物质中3/4的成分是有机物质，其中就包括类似甘氨酸这样组成生命的关键成分。让人意外的是，星云中数量最多的三原子分子是水分子，这不得不让我们重新思考地球是不是真如我们一直以为的那样特殊。
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组成生命的成分在宇宙中十分常见，不禁让人联想到地球上的生命可能来自宇宙。陨石和彗星，尤其是在地球形成之初撞击地球的那些，它们带来的水是现今地球海洋水总量的10倍，带来的气体则是现在大气总量的1 000倍。不仅如此，它们还带来了星云中丰富的有机分子，这些有机分子起到了至关重要的作用。很可能有10万亿吨的有机碳，甚至百倍于此，从外太空进入了地球。那相当于当今在生物圈中流通碳元素总量的10倍。扫过地球公转轨道的彗星尾部尘埃尤为重要，因为不像需要经历着陆时高温爆炸的陨石，其中许多有机成分会遭到破坏，彗星的尘埃会温和而持续地向地球播撒生命的种子，润物无声。倘若如此，也许宇宙尘埃才是我们真正的母亲。
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生命的成分到底是来自外太空还是诞生于地球，也许我们永远都无从得知。不过，从天文观测中我们还是能得到许多简单而重要的启示。首先，只要环境条件合适，组成生命的物质成分是可以自然发生的。其次，所谓合适的环境并不像达尔文描述的“小池子”那样近在咫尺而又得天独厚。它可以远在数光年之外，也可以像星云那样在宇宙里随处可见。
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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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