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确切一点说，代谢图书馆和蛋白质图书馆的出现至少比人类早了30亿年。从那时候起，蛋白质就从RNA手里接管了大部分生命的工作。这样做绝对有着充分的理由，因为蛋白质的构件要多得多，RNA只有4种核苷酸，相比之下蛋白质则有20个不同的氨基酸，大自然可以用蛋白质书写更多不同的文本。要写一条10个字母长的链，用4个字母的字母表大约可以写出100万条，而用20个字母的字母表则可以写出超过10万亿条，后者是前者的1 000万倍。相比RNA，蛋白质文本的数量要多得多，而且文本越长，两者的差异越明显。更多的文本意味着更多的构型，参与更多的反应催化，执行更多的功能和完成更多的任务。
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但RNA的出现确实先于蛋白质，就凭这一点，RNA就足以在生物进化的万神殿里享有一席之地。如果没有历史上的第一个自我复制分子以及它的进化，也就没有今天的我们。不理解这种进化的过程，我们的工作也就不能算是完整的。
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幸好，RNA和蛋白质之间有许多相似之处，这有助于我们理解RNA的进化。我们可以把RNA文本组织成一座超立方体图书馆，虽然不如蛋白质图书馆大，但依然规模惊人。在图书馆中，相似的文本离得近，相异的文本离得远。这座图书馆也属于高纬建筑，这意味着其中的社区比三维空间里的大得多，即一个文本附近有许多其他文本。由于RNA长链分子和蛋白质一样高度灵活，所以许多RNA文本的意义也会借助构型语言来表达。和蛋白质一样，RNA链也会在空间中弯曲扭转，精心折叠。
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不幸的是，RNA与蛋白质的相似之处仅到此为止。RNA分子似乎不愿意轻易显山露水，对它的构型研究一直不顺利。科学家们至今只确认了数百个RNA构型，而我们已经知道了上千种蛋白质的构型和功能，相比之下，已知的RNA构型数量简直微不足道。我们在蛋白质中取得的成果，即大量比较自然界中的蛋白分子并绘出图书馆模型，暂时还不可能在RNA分子上重复。
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尽管如此，得益于奥地利科学家彼得·舒斯特（Peter Schuster）和他的同事们的工作，RNA图书馆的建设并不是毫无进展。舒斯特是欧洲计算生物学的鼻祖之一，他从20世纪70年代起就在维也纳大学担任教职，现在是该大学的退休教授。我与舒斯特的第一次会面似乎印证了许多欧洲人对奥地利人的固有印象。舒斯特个性活泼，块头很大，幽默感奇特，哪怕出现在奥匈帝国晚期的传统维也纳咖啡馆也毫不突兀，因为那样的地方往往聚集了大量受过良好教育的饱学之士，从心理分析到量子理论，他们对每件事都能滔滔不绝。舒斯特正是那种传统的科学家，一个纯粹的知识分子，对各种话题都能信手拈来。他不摆架子，说话风趣，就算谈话内容再严肃也会找机会岔开话题幽默一把。有句耳熟能详的谚语阐释了奥地利人对生活本身和生活中诸多挑战的看法：“情况不容乐观，但是绝望为时尚早。”舒斯特本人就是这句谚语的写照。
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舒斯特看起来大大咧咧，但思维开阔、头脑清晰。他是提出RNA世界起源理论的先驱之一，他的研究小组开发的计算机程序成功预测了RNA一个重要的分子特性，即它具有二级结构。
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当RNA单链进行折叠时，首先出现的正是它的二级结构。随着RNA链扭转、弯曲、缠卷，部分核苷酸互相配对，在分子内形成局部的双螺旋区段，像极了著名的DNA双螺旋。众多双螺旋与它们之间的单链区域，就构成了RNA的二级结构，而所有这些结构都是由一条RNA长链通过自身折叠形成的。RNA的二级结构就像蛋白质的α-螺旋和β-折叠，二级螺旋结构通过自组织形式，向更高级的立体结构自发发展。
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舒斯特能通过核苷酸序列计算出RNA的二级结构，不仅如此，他们小组的计算机程序运行得飞快，几秒内就能预测出几百种分子构型。而对于更加复杂的RNA三维结构，我们至今都无法做到快速运算。有了如此高效的程序，我们就可以开始绘制RNA图书馆的地图了。即使我们离完全理解RNA的折叠方式和功能还有很长一段路要走，二级结构本身已经足够关键了：如果一个RNA分子的核苷酸顺序发生变异，破坏了它的二级结构，这个分子就不能进行正确的三维折叠。二级结构对RNA分子的意义至关重要，正如花束不能跳过一朵花凭空出现，RNA分子的三级结构也无法逾越二级结构存在。这个理由充分论证了研究二级结构的必要性。
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舒斯特身边的研究人员在RNA图书馆中发现了许多可以解读的分子含义，令人眼花缭乱，而所有分子含义都可以通过RNA构型进行表达。举例来说，对于一个含有100个核苷酸的RNA，它的不同构型的可能数量已经达到了1023种。许多天然RNA分子包含的核苷酸更多，更长的RNA链则相应拥有更多的可能构型。
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另外，构型相同的文本在RNA图书馆中的组织方式和蛋白质图书馆非常相似，即文本连成网络，延伸至图书馆深处，你可以通过微小的改变积累，逐步修改，直到彻底改变一个文本的内容，同时保持文本编码的RNA功能不变。像蛋白质图书馆一样，RNA图书馆中不同的社区更像中世纪的村庄那样多姿多彩，而不像城里的社区那样大同小异。每个社区里的构型都不尽相同，任意两个不同的社区之间的交集也廖廖无几。这一切都意味着RNA进化所遵循的规则与蛋白质相同，而最新的实验表明事实的确如此。
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2000年，麻省理工大学的埃里克·舒尔特斯（Erik Schultes）和戴维·巴特尔（David Bartel）完成了一个巧妙的实验，在RNA图书馆中开辟了一条新的道路。实验开始于两个较短的RNA文本，每个文本含有的核苷酸不超过100个。两个文本的许多核苷酸都不同，在图书馆中的位置相去甚远。不过它们并不是随随便便的RNA分子，两者都是核糖酶（ribozymes），是由RNA而不是蛋白质组成的生物催化剂。两个核糖酶扭曲形成不同的三维构型，负责催化不同的反应。第一个分子可以将一条RNA链分解成两条，第二个正好相反，主要通过原子键融合两条RNA链的末端，把两条链联结起来。我们姑且把这两种酶分别称作“切割酶”和“连接酶”。
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如果你手头有一个切割酶分子，需要在图书馆某处找到一个连接酶，会是轻而易举还是难于登天？或者相反，通过手头的连接酶寻找切割酶呢？换句话说，以任意一个分子为起点，你能否通过对图书馆进行探索找到另一个想要的分子，就像分子进化能够实现的那样？如果你对基因型网络一无所知，就会认为这不可能，因为这两个分子天差地别。即便可能，大概也非常困难，因为一招不慎则满盘皆输，任何一点失误导致的缺陷分子在进化中几乎都意味着死亡。
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舒尔特斯和巴特尔没有被困难吓倒。他们模仿自然选择的过程，从其中一个分子出发，一步一步改变核苷酸的序列，同时要求每一步都保留原本的分子功能，尝试向另一个分子靠近。他们利用自己掌握的化学知识预测穿过图书馆的可行路径，合成所有候选的变异RNA，测试新链能否像它的前辈一样催化相同的反应。如果不能，他们就尝试另一条不同的路径。
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读到这里，你可能不会再对他们的发现感到惊讶了。从连接酶出发，他们一点一点地朝着切割酶靠拢，在这个过程中他们一共修改了40个核苷酸，同时保证新获得的RNA分子具有融合两条RNA链的能力；从切割酶出发，他们也以同样的方式，向着连接酶一点一点地修改核苷酸，在修改了40个核苷酸后，仍然保持新获得的RNA分子具有裂解RNA的能力。在两种分子相互转变的中间点附近，奇妙的事情发生了：只要对不到3个核苷酸分子进行修改，核酸酶的功能就会发生颠覆性的改变。连接酶变成了切割酶，而切割酶则变成了连接酶。
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这个实验像许多优秀的实验一样，传达了不止一条重要信息。第一条，具有切割酶和连接酶含义的文本不止一个，而是有很多。第二条，这些分子在RNA图书馆中相互连接，即便必须以保留分子功能为前提，你也可以循着这张网络找到功能相同的新分子。正是基因型网络使得这一切成为可能。第三条，循着网络中的某条道路前进，你总会在某个文本所在的社区中找到你想要的新性状。
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在真实的进化历程中，探索RNA图书馆需要大量分子充当读者，而上述实验中只有一名孤单的读者。此外，科学家还要凭借生化知识指导这个读者，以防止它乱走，根据实验设计，它一直在沿着基因型网络前进。这使我心头一直萦绕着一个疑问：大自然中的RNA在进化上其实是随机而盲目的，对于现实中的进化而言，基因型网络是否对它也有助益？这个问题的答案直到10年之后，在我位于苏黎世的实验室完成一项与进化有关的实验后，才渐渐浮出水面。
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大多数人认为进化非常缓慢，所需的时间与我们每个人的正常寿命根本不在一个数量级上。就人类的进化而言，这的确是事实，1 000年的时间才相当于50代人，但许多其他生物的世代时间就要短得多，比如大肠杆菌，它每20分钟就能繁衍出下一代。繁殖50代大肠杆菌甚至用不了一天。一个RNA分子几秒钟就能完成自我复制，RNA使用的分子复制体系与复制DNA的那一套相仿。不消一天，你就能得到上千代RNA。
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有了快速复制的生物体和分子，实验室就可以开展一个雄心勃勃的实验：重演进化。类似的模拟进化实验能够让科学家形象地看到进化如何在生物传宗接代的过程中，逐渐改变整个生物种群。由于RNA分子对早期生命至关重要，它们在这种实验中就显得特别有吸引力。RNA分子兼具自我复制和变异的遗传特性，本身的性状又能够作为自然选择的作用对象，集各种进化的要素于一身。
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2008年秋，我为开展实验室里的进化实验面试了一些新人，希望能解决萦绕我心头多年的疑问。其中一个年轻的美国科学家非常出挑，不仅因为他的证书，也因为面试时他穿着徒步鞋。虽说大多数学院的科学家都崇尚休闲打扮，对其他职业严格的着装要求往往嗤之以鼻，但徒步鞋还是有点不同寻常。起码，这显示出了他的健康自信。
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这个年轻人叫埃里克·海登（Eric Hayden），是一名化学家，刚从俄勒冈州立大学取得博士学位，他在RNA酶方面进行的工作非常杰出。虽然之前对进化生物学所知甚少，但他对进化表现出了深深的好奇。他面容坦率，一个微笑就照亮了房间，顿时让人心生好感。我和他简短地谈了谈，随后就让他和组里的其他研究员随便聊聊，看看他在我们的圈子里是否自在。他肯定觉得就像在家里一样舒坦：一个小时后回到我办公室时，他已经脱下靴子只剩袜子了，他解释说靴子太热了。
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埃里克得到了这份工作，而我从未后悔这个决定。他非常了解RNA，做实验谨慎仔细，非常讨人喜欢。我觉得能和他一起工作是我的荣幸。
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埃里克在我的研究小组里负责研究一种核糖酶，这是一种RNA酶，用以帮助某些细菌表达基因。这种酶可以根据特定的核酸序列辨识相应的RNA链，然后对目标RNA进行切割，随后将自身连接到其中一个片段上。（许多生物细胞内都有能识别并裂解特定DNA和RNA的分子，它们的目的多种多样，例如破坏入侵病毒的外来DNA，或者把较短的DNA片段连接成相对较长的DNA。）关于这种酶，我只想知道基因型网络能否改变这种酶，使它能够识别新的RNA分子。
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为了找出答案，埃里克把这种酶复制了10亿多份——所有复制所得的酶正好相当于一汤匙，然后用分子复制体系对这10亿个酶进行扩增。生物本身的复制体系并不完美，偶尔会出现复制错误，因此获得的少量核糖酶会出现变异。随后，埃里克运用某种化学方法，设法让变异体中那些依旧能够识别原目标RNA的核酸酶继续复制。这种手段巧妙地模拟了自然选择的核心要求：只有保留原先功能的变异分子才能在生物的代际之间传递。
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