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以上讨论的，就是标准遗传密码里的规律了。既然所有的生命都遵循这套密码，显然，这些规律也必然出现在末祖身上，很可能就关系着遗传密码的起源。从这些规律出发，生物化学家们提出了“冻结偶然”之外的多种假说，2009年，第七章里提到的启发了白烟囱假说的尤金·库宁集中评价了其中影响最大的三个假说IV。
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图4—34 以第二位密码子排序的遗传密码表，颜色越蓝，亲水性越强，颜色越红，疏水性越强。括号里的数值出自“威姆利-怀特全残基疏水性量表”，数值越大，疏水性越强，数值越小，亲水性越强。其中，谷氨酸、天冬氨酸、赖氨酸、组氨酸、精氨酸取电离后的数值。III（作者绘）
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生命的起源：所有生命的共同祖先在40亿年前是怎样诞生的？ [:1700256344]
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·规律的规律·
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最早提出的假说是“立体化学假说”，也就是密码子的三个碱基能在空间中形成某种立体形状，然后特异性地匹配对应的氨基酸，就像水晶鞋和灰姑娘的脚那样形状匹配，独一无二。
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这个假说可以追溯到1953年，双螺旋模型在冷泉港实验室[6]公之于世的那场研讨会上。研讨会在座的，有盛名在外的俄裔美籍理论物理学家乔治·伽莫夫（George Gamow），他是“宇宙大爆炸理论”的正式提出者，是“宇宙微波背景辐射”的预言者，也是宇宙元素合成理论的奠基人。同时，他也是科普文学的宗师级人物，一生中写下18部科普著作，其中，1947年写成的《从一到无穷大》，还有1966年写成的《物理世界奇遇记》直到今天都是全世界首屈一指的科普读物。
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回到那场研讨会上，双螺旋和碱基互补配对的崭新模型让伽莫夫心驰神往，他在会后陷入了对一个新世界的沉思：双螺旋的模型毫无疑问地表明了是“碱基序列编码了遗传信息”，但这究竟是怎样一种编码方式，克里克与沃森却还没什么头绪。伽莫夫敏锐地把密码学用在了碱基序列上，提出碱基序列一定是3个一组地编码了氨基酸，他将这个想法连同他构想的一些细节上的编码机制，装在信封里寄给了克里克。
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坦率地说，当时的伽莫夫虽然在物理学上成就斐然，在分子生物学上却还是个外行，他对DNA和RNA的大部分认识都是错误的，他提出的碱基编码机制也是错误的。但他把密码学引入遗传学的创想却极富启发性，克里克正是在伽莫夫的信中找到了关键灵感，在几年之后证明了RNA上的碱基的确是3个一组地构成了密码子。
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最初的失败不重要，伽莫夫早已被生命活动的无穷奥秘彻底折服，在克里克的帮助下，他将整个研究重点转移到了分子生物学上，并且立刻构想出了第一个版本的“立体化学假说”。
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如图4—35，伽莫夫眼中的DNA双螺旋是缠胶带式的，那些碱基对像胶带上的图案一样分布在双螺旋的表面上，这样，相邻的4个碱基就会组成一个扑克牌里“◆”形状的孔，而且每个孔的形状都与某种氨基酸的形状恰好相同。
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在伽莫夫的设想里，细胞合成蛋白质的场面就像舞会后的姑娘们各自寻找自己的套鞋。氨基酸在双螺旋的小孔上到处试探，最后踩进了最适合自己的孔里，按照DNA上的碱基序列站成了一队。接着，它们只需彼此缩合，就能变成一个大分子的蛋白质了。
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那么最妙的部分来了：4种氨基酸分布在前后左右4个方向上，真的刚好形成20种不同形状的孔，与构成蛋白质的20种标准氨基酸在数字上完全匹配！这真是太惊人了，这美妙的契合让伽莫夫如同发现了灰姑娘的王子，迫不及待地把它发表在了1954年的《自然》杂志上V，那些设想中的“◆”形状的孔，就因此有了“伽莫夫钻石”这个名字。
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结果，在短短几年之内，分子生物学的新发现证明，这套“伽莫夫钻石”美则美矣，实则没有一点儿是正确的。但是，碱基的立体结构与20种氨基酸相互吸引的想法，却并非全无道理，特别是当时的人们正在深入了解酶的催化原理，发现酶总是形成某种特定的三维形状，从而特异性地结合某种物质。所以标准遗传密码才刚刚破译，基于RNA的立体化学假说就应运而生了。
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图4—35 上方是伽莫夫设想的DNA双螺旋，下方是他构想的20种不同形状的孔。
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新版本的假说继续猜测RNA密码子上的3个碱基能形成特异的三维结构，能与对应的氨基酸相互吸引，而这种相互吸引就是遗传密码的起源。VI在某些实验中，研究者把各种氨基酸与各种碱基序列混合在同一份溶液里，使它们随意组合，结果发现许多氨基酸都与标准密码子有更大的组合概率，这立刻吸引了许多人的目光。然而，遗憾的是，进一步的统计却发现，那种“更大的组合概率”更接近实验不足带来的统计偏差，就如同扔1元硬币连续五次“1”向上，并不代表“1”向上的概率就比“菊花”向上的概率大。
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但是总的来说，立体化学假说到目前为止都还缺乏切实的证据支持，而且它实际上并不能解释上一节里发现的各种规律，并不像是我们期望的答案。
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稍晚的第二个假说是“错误最小化假说”，故事里多次露面的卡尔·沃斯就是这个假说的重要创建者。这个假说认为，遗传密码最初在不同的元祖身上形成了许许多多的编码方案，但是不同的方案有着不同的适应性，一个方案把突变造成的错误降得越低，就越能在竞争中胜出，而我们目前的标准遗传密码，就是其中的佼佼者。VII
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所谓“突变造成的错误”，很好理解：无论DNA还是RNA，它们在任何一次复制、转录或翻译过程中都可能发生碱基突变，一个闪失，C就变成了U，U就变成了A，A就变成了G，这种突变在所难免。这样的突变一旦发生，这个密码子就变成了那个密码子，如果这两个密码子对应着性质悬殊的两种氨基酸，就很有可能合成出来一个存在严重缺陷的蛋白质。关于这种错误，一个最经典的例子是人类的“镰状细胞贫血”。VIII
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人体的红细胞里装满了血红蛋白，用来给全身运输氧气。而镰状细胞贫血，就是患者的血红蛋白基因中有一个A变成了U，把原本编码了谷氨酸的GAG变成了编码缬氨酸的GUG——这就麻烦了：谷氨酸是非常亲水的氨基酸，折叠的时候本来位于蛋白质的表面，帮助血红蛋白溶解在红细胞的细胞质里；缬氨酸却是非常疏水的氨基酸，非常讨厌暴露在水溶液里。
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这种突变了的血红蛋白在氧气充裕的时候还好，一旦人体因为剧烈运动或者情绪紧张进入缺氧状态，它们的三维形态就会扭曲起来，然后一个个首尾相接地粘连成一长串。我们的红细胞原本是中间略扁的圆饼形，这下却被又长又硬的突变血红蛋白凝聚物撑成了镰刀形，不但运输氧气的能力大幅下降，还会卡在毛细血管的拐弯处，形成大范围的栓塞，肝脏、脾脏、红骨髓等毛细血管丰富的组织都将受到严重的损伤。所以，那些从父母双方继承的基因都有这个突变的“纯合”患者，常常会有生命危险。
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回到错误最小化假说上，这个假说的研究者用复杂的统计学模型评估了标准遗传密码在一切可能的遗传密码中表现如何，然后发现只有万分之一甚至百万分之一的遗传密码方案能比标准遗传密码更加出色IX。我们这套标准遗传密码的突变后果的确是惊人地小，即便一种氨基酸换成了另一种氨基酸，也大多是换成各种性质非常接近的氨基酸，而不给最终的蛋白质带来强烈的影响。
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尤其显著的是，密码子三位碱基的突变概率并不相等，第二位的突变概率最小，所以我们看到，氨基酸亲水性这个最重要的特征就集中与这一位碱基关联。这样一来，即便其他两位碱基发生了突变，氨基酸的亲水性也大概没什么变化，最后的蛋白质不至于坏掉。
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而密码子的第三位那样冗余，则与翻译的细节有关：转运RNA带着氨基酸在信使RNA上匹配密码子并非一蹴而就，是一位一位试探着踩出来的，其中最先试探的就是第三位密码子。而这贸然的试探出错率非常高，甚至不能保证符合那套“互补配对原则”。在第十五章我们说过，碱基C突变成U以后照样能与G配对（图4—25），这种事情在密码子的第三位上太平常了，只要一个是嘌呤，一个是嘧啶，差不离就能匹配上。所以，密码子的第三位占据的信息量越少越好，能分清嘌呤和嘧啶，也就差不多了。