40亿年前地球大气层中没有氧气存在。游离氧是生命的产物，这是科学上不争的事实。原始大气的组成依然是一个争论的问题。长期以来有一种观点，由于著名的尤里—米勒实验而盛行起来，即大气中包含氢气（H/—2）、甲烷（CH/—4）、氨（NH3）富含氢。这种观点已受到严重怀疑。实际上，米勒实验最主要的贡献是为原始环境中由无机分子合成有机物的可能性提供了一种证据，而不是去证明原始大气中存在哪些物质。
很多专家认为，碳可能不是以和氢化合的形式（甲烷）而是以和氧化合的形式存在（主要是二氧化碳CO/—2）。氮很可能是以分子氮（N/—2）或者是一种或几种与氧化合的形式存在，而不是以氨存在。氢气最多也只有极少量。
那么磷呢？这种元素作为生物体中很多重要分子的组分，尤其是磷酸的组分，在太古时候是怎么存在的？令人奇怪的是在现今物质世界，至少在自然溶液中很难发现磷酸盐的存在。地球上有丰富的磷，但却被固锁在不溶于水的磷酸钙中，构成磷灰石矿。
在海水和淡水中磷酸盐的含量也极低。稀有的磷酸盐分子如何起到生物学中心作用？这是一个有趣的问题。其中一个可能回答是酸性，当磷灰石暴露在哪怕是很弱的酸性介质中时也能轻易地释放出磷酸。或许，太古时代的水环境就具有这样的酸性。
另外，从现存火山口附近的气体分析来看，拥有特殊的臭鸡蛋气味的硫化氢气体让人印象深刻。既然太古时期的地球上火山林立，我们有什么理由排除这样一种可能性：当时的大气中含有硫化氢？
合适的温度
在生命出现之前，地球上的温度有多高？
现在还没有多少令人信服的确凿证据。不过在那种环境下，气候宜人的可能性不大。于是，许多化学家猜测原始生命可能喜欢寒冷环境，甚至低于冰点。因为温度是一个严格限制生物分子寿命的因素，很多重要的生物分子，如蛋白质等，在高温下都会被不同程度地破坏。
但是，很多地质学家却并不愿意相信一个冰冷的前生命世界。他们认为当时的温度比较高，可能接近水的沸点或更高。只是因为处在比现在更高的大气压下，水还没有沸腾。这种高温高压的水环境在今天大洋深处的一些火山口附近仍有发现，而在太古时代，这样的水下火山口可能更多。而且，现今所发现的最古老的生物，正是生活在这样的火山口或温度高达110益的火山喷泉里的细菌。这也告诉我们，生命可能有一个滚烫的篮。
太阳的功劳
还有一个问题，当时地球上的阳光又如何呢？
太阳给生命的长河注入了源源不断的能量，但它在40亿年前并没有像现在那么“温暖”，送给地球的光能比现在少25%左右。不过这可能被大气中二氧化碳的温室效应所抵消，因为当时二氧化碳的浓度可能比现在高100倍以上。
尽管当时的太阳还比较“冷”，但紫外辐射可能还是很强的。因为那时候大气中没有氧气，所以也就没有可以大量吸收紫外光的臭氧保护层。
水和生命在遥远的太古时代，地球上有了丰富的水，这是生命得以孕育、产生和发展的至关重要的因素。但是，当时覆盖在地球表面的水可能非常灼热，也可能酸得够呛，而且还富含着从地球深处不断翻涌上来的各种矿物质，包括亚铁盐、磷酸盐等。
在水的上空，大气中聚集着二氧化碳、氮气、硫化氢和水蒸气，有可能氢气很少。阳光几乎毫无阻挡地照耀着年轻的地球表面，整个水面就笼罩在紫外线、可见光和高浓度二氧化碳捕捉到的红外线中。
在这样一个星球上，有两种环境萌动着生命的希望：一是水体的浅表处，这里充分享受着“日光浴”，借助太阳送来的能量发生变化，很多物质被浓缩着；另一个地方是在黑暗的深水下的火山口，这里聚集着来自地球内部的各种物质，利用火山口特殊的环境条件，悄无声息地酝酿着各种化学变化。当然，生命的产生或许并不是简单地在这两个环境中独立完成，也可能它们只创造出了某些生命构件，而这些构件架起生命的殿堂则可能是这两种环境共同完成的杰作。
有了上面提到的这些物质和环境，似乎我们该考虑下一个问题了：这些物质在这样的环境中究竟是怎样变成有机物甚至是生物体的呢？
我们可能很快就想到了尤里—米勒实验，这个经典的实验为我们描绘了一种令人欣喜的可能性：远古时代的那些无机物是怎么在雷电交加中形成了生命所必需的有机物。
然而，这个实验条件的可靠性现在却受到严重质疑。前生命大气中存在的氢远不如尤里设想的那样丰富。而且如果在这个实验中用二氧化碳代替混合气体中的甲烷，分子氮代替氨，并且排除分子氢，有机物的产生实际上趋向于零。而这样的大气组成恰恰正是最新的观点。当然，对早期大气组成的估计现在还没有下定论，在未来还可能再次修改。
另一方面，光谱学的研究发现，在宇宙空间弥漫着极其稀薄的星际尘埃，其中包含着相当数量的潜在生命分子，主要是含碳、氢、氮、氧的一些物质，有时还有硫和硅。彗星也附带着含有各种有机物的尘埃和冰块。在某些陨石中，还发现了一定数量的氨基酸。这些都让我们想到另一种可能性：在“天外来客”经常光顾地球的太古时代，它们会不会给地球上生命的诞生带来了必需的有机物？这些有机物可能也是地球最初生命的种子。
1996年，有些科学家甚至在火星陨石中还发现了类似微生物活动过的遗迹。如果这一点得到肯定，那么在地球生命出现之前，那样的陨石也可能曾经掉落到地球上来。
究竟有多少有机物是地球自己制造的，有多少来自宇宙空间？这还存在着极大的争论。
但不管是地球自己制造有机物，还是有机物在宇宙空间事先形成，从无机物变成有机物，并进而形成高度复杂的生命体，这个过程总该有什么东西在催化着。因为很难想象，杂乱无章的自发反应就能完成生命的创造，尤其是生物体中很多重要的化学反应在无机自然界中根本不会自发进行。就算能够进行，也还有一个速度和效率的问题。那么催动着原始生命诞生的东西究竟是什么呢？
细胞的组成单位———蛋白质
蛋白质的形成人们很快便想到酶，想到蛋白质。诚然，从今天的生物界来看，无论从组成生物体的结构来看，还是从行使各种生理功能的需要来看，蛋白质的重要地位不可动。
似乎可以理所当然地推断，有了组成生物体的基本元素之后，下一步就应该是形成蛋白质了。因为很难想象，如果没有蛋白质，现在的生物界会是什么样子。
可是再一想，蛋白质怎么形成呢？按照现在我们所发现的情况，它的合成需要核糖核酸（RNA）的指导。这样看来，该先有RNA了。可如果我们不怕麻烦再想一想，RNA的形成难道不需要酶的催化吗？没有蛋白质能行吗？
这样一来就比较尴尬了，我们在探寻“谁是最初的生物催化剂”这个问题的答案时，不知不觉陷入了一个类似“先有鸡还是先有蛋”的问题。
自从克里克提出了“中心法则”之后，人们就想借此来解决这个棘手的且又无法回避的尴尬问题。按照这个中心法则，合成蛋白质的信息只能从核酸流向蛋白质，而不会反过来。这样一来，RNA先于蛋白质出现在地球上就成了理所当然的答案了。可是中心法则毕竟只是一个推断，我们需要证据才能确定它是不是一个自然法则。幸好现在的科学研究为它寻找证据已经不是什么太难的事情了。
在人们为暂时解决了这个“孰先孰后”的问题而欣喜的时候，确定最初的生物催化剂的任务还没有完成。既然先有RNA后有蛋白质，那么在蛋白质尚未出现，没有蛋白质酶的帮助下，RNA又是怎么形成的，特定的RNA又是怎么一代代传下来的？
20世纪80年代初，来自美国博尔德科罗拉多大学的切赫（ThomasCech）和来自耶鲁大学的奥尔特曼（SidneyAhman），各自独立地发现某些RNA分子具有催化活性。他们因此分享了1991年的诺贝尔奖。
所以，在太古时代，一个RNA催化另一个RNA的形成也就有了可能性。
这样，支持“先有RNA再有蛋白质”这一观点的追随者就更多了。而且，人们也在探寻最初的生物催化剂的道路上，向前迈进了一大步。但是还没有充分的证据可以让我们相信，早期的RNA也能够催化后来出现的蛋白质的合成。
新的催化剂
1958年，美国生物化学家福克斯（SidneyFox）发现了一个配方：只要把干燥的氨基酸混合物在170益加热，就能得到一种塑料样的固体，当把它研碎并与水混合时，可以得到平均50个氨基酸组成的产物，福克斯把这种产物称为类蛋白质。虽然类蛋白质并不是通常的肽所具有的链状结构，但是，福克斯的这一发现也值得我们思考这样一个问题：太古时代的氨基酸有没有可能也通过类似的途径形成肽甚至是蛋白质呢？
当然，也有人心存疑虑，认为福克斯得到类蛋白质的条件在太古时代不太可能实现，而且类蛋白质和蛋白质还相去甚远。
1951年，德国化学家维兰德（TheodoiWieland）的一个发现令人惊喜。
那时，生物化学家已经发现了硫酯键（—s—CO—），这种化学键在今天存活的全部生物中都至关重要。
我们知道，一个醇类的羟基（—OH）与一个有机酸的羧基（—COOH）之间脱水就可以形成一个酯键（—O—CO—）。与之相似，一个巯基化合物（含—SH）和一个酸脱水相连，就形成一个硫酯键。
维兰德就用这个方法，把氨基酸和一种巯基化合物合成了氨基酸硫酯，然后把它们简单地投入水中，结果肽形成了！而巯基化合物又被释放出来。
值得注意的是，这个过程中没有蛋白质酶的参与。
更让人惊喜的是，几年后，美国生物化学家、生物力能学之父李普曼（FritzLipmann）发现了某些细菌肽（例如一种叫做短杆菌肽的抗生素），就是由硫酯自然合成的。因此，李普曼提出，依赖硫酯的肽可能早于依赖RNA的蛋白质。
因此，硫酯在生命发展过程中起到了关键性的作用。形成硫酯所需要的巯基也可能从前生命世界中存在的硫化氢气体（H/—2S）衍生而来。巯基化合物可能是在前生命世界中播下生命种子的有机分子之一。
探幽生命能源
生命的诞生，仅有物质上的准备还远远不够，能量是另一个关键性的因素。
在生命出现之前，地球上同样存在着各种形式的能量，如太阳光、放电、地震波、热能，以及各种化学反应释放的能量，等等。众所周知，热能不能被生物直接利用来完成生命活动，也就是说，生命对能源的利用是有选择性的。在众多的能源中，最初的生命利用的究竟是哪一种？
如果是在今天，绿色植物依靠叶绿素可以利用光能。但是，叶绿素是一种复杂的分子，而且只靠叶绿素也无法完成对光能的利用，还必须联合位于叶绿体类囊体膜上的其他很多复杂分子才行。这样复杂的系统在生命形成初期是不太可能存在的。
但是，我们总可以从现存绿色植物的光合作用中找到一些蛛丝马迹。叶绿素对光能的利用，最初实际上是借助光能产生高能电子，并从水中分离出氢。这一步对光合作用来说至关重要，也是其他后续反应得以顺利进行的前提条件。那么在原始环境中，没有叶绿素这样的复杂分子的帮助，有可能利用光能吗？
科学家们注意到了前生命世界的海洋中大量存在的亚铁离子（Fe/+2+），这种离子在水溶液中，如果给予足够的紫外线照射，就能放出高能电子从而变成铁离子（Fe/+3+），并把氢从水中分离出来。考虑到当时的地球暴露在强烈的紫外辐射之下，这个反应的条件实在是太容易满足了。
这个反应可能曾经大量进行的证据之一就是磁铁矿。这是一种亚铁离子和铁离子的氧化物所组成的混合物，存在于15亿~35亿年前形成的富铁地层中。通常认为它是亚铁与利用光能的细菌产生的氧相互作用的结果，但紫外线供能的反应也可能参与它的形成。
高能电子的另一种可能来源是硫化氢，它也是前生命世界的地球上可能广泛存在的物质。硫化氢在水溶液中可以形成硫氢根离子（SH—），科学家发现，在亚铁离子存在的情况下，两个硫氢根离子可以形成二硫阴离子（S/—2/+/+2—）并放出氢分子。而S/—2/+/+2—与Fe/+2+可以产生二硫化亚铁（FeS2）沉淀，这正是黄铁矿的组成成分。
上面两种可能性或许在同一个环境中都存在，也可能同时发生在不同的环境中，确切地说，紫外线供能的反应可能只发生在水的表层，而生成黄铁矿的反应则可能发生在黑暗的大洋深处。
有趣的是，在现存生物中，铁和硫都是参与电子传递反应的催化剂的关键成分。这类催化剂的最原始形式，很可能是被称为铁硫蛋白的蛋白质。其催化中心是被硫原子包围的一个铁原子，价态在二价铁和三价铁之间摆动。
有了高能电子，就为以后生物体内形成ATP准备好了能量源泉。而ATP中所含的高能磷酸键正是生物体内各种化学反应所需能量的直接来源。
但是，在前生命世界，ATP还是一个过于复杂的分子，而当时已经存在的无机焦磷酸（PPi）可能比ATP更早地担当起这一重任。虽然无机焦磷酸盐中的焦磷酸键不如ATP中的高能磷酸键那么强大，但在很多反应中已经足以替代ATP了。在现在的生物世界中能找到很多证据，证明无机焦磷酸盐可以行使和ATP同样的基本功能。
此外，科学家们还发现，硫酯可能是早期生命形成过程中很多化学反应所需能量的又一个重要来源，这不仅是因为硫酯可能较早地存在于地球上，更重要的是它在能量上基本等同于ATP，硫酯键同样也是一个高能键。
信息的大使
刚刚说到ATP在现存生物体的能量代谢中扮演了极其重要的角色，它好比是众多需能反应的通用能量货币。但是，与之结构相似的GTP、CTP、UTP也拥有和ATP相类似的高能磷酸键，而且也可以为需能反应提供能量，为什么担当这一能量货币角色的是ATP呢？原因很简单，因为ATP所拥有的腺嘌呤恰好先于其他几种碱基出现，也最容易在非生物状态下合成。
但是，ATP的作用恐怕还远不止于此。
ATP的前身AMP是组成RNA的核苷酸之一，与之相似的GMP、CMP、UMP则是另外3种，它们分别是GTF、CTP、UTP的前身。难道它们的存在与RNA的形成仅仅是毫不相干的巧合吗？
