30年来，杰拉尔德·乔伊斯一直试图创造生命。在20世纪80年代读研究生时，他研究了第一批RNA分子（DNA的化学近亲，既能储存又能传递遗传信息）如何从更简单的单元中自我组装，许多科学家认为这个过程导致了最早的生物。
不幸的是，他遇到了一个问题。在化学层面上，一种深刻的偏见渗透到所有生物学中。构成DNA和其他核酸（如RNA）的分子具有固有的“手性”。这些分子可以以两种镜像形式存在，但只有右手版本存在于生物体中。手性在生物体中发挥着至关重要的作用；许多驱动我们细胞的化学反应只能与具有正确手性的分子一起工作。但是，生命的生物前构建模块并没有表现出如此压倒性的偏见。有些是左手性的，有些是右手性的。那么，右手性RNA是如何从分子混合物中出现的呢？
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乔伊斯能够用右手性构建模块构建RNA，就像其他人之前所做的那样。但是，当他加入左手性分子，模仿早期地球的条件时，一切都停止了。“我们的论文说，如果你在同一时间在同一地点有[两种]形式，你甚至无法开始，”乔伊斯说。
他的发现，于1984年在《自然》杂志上发表，表明为了生命的出现，首先必须打破左手性和右手性分子之间的对称性，生物化学家称之为“打破镜像”的事件。从那时起，科学家们主要将寻找生命手性起源的重点放在物理学和化学的生物前世界，而不是生物学。
三十年后，乔伊斯的最新研究表明，也许生命首先出现。乔伊斯现在在加利福尼亚州拉霍亚的斯克里普斯研究所，乔纳森·什切潘斯基是一位博士后研究员，他们创造了一种RNA酶——一种复制RNA的物质——可以在左手性和右手性构建模块的混合物中发挥作用，为一些最早的生物分子如何在对称世界中进化提供了潜在的机制。这项新的实验，于11月20日发表在《自然》杂志上，发表，重新激发了关于生命最初如何产生的讨论。“他们真的开辟了新的可能道路，”俄勒冈州波特兰州立大学的生物化学家奈尔斯·莱曼说，他没有参与这项研究。
更令人感兴趣的是，乔伊斯和什切潘斯基的酶的工作方式与其他RNA复制分子不同，这一发现可能对生命的起源产生深远的影响。该酶比迄今为止开发的其他基于RNA的酶更有效和灵活，它可能为乔伊斯的最终目标——从零开始创造生命——提供关键。
镜像的裂缝
著名的19世纪法国化学家路易斯·巴斯德是第一个描述化学手性或“旋光性”的人。他对从葡萄酒糟中提取的晶体使光线朝特定方向扭曲这一事实感到困惑，但在实验室合成的相同晶体却没有。在显微镜下检查晶体后，他发现合成化学物质有两种镜像形式，它们相互抵消了偏振效应。而从葡萄酒中提取的晶体只有一种。
科学家后来发现，这种偏见涵盖了整个生物世界。合成化学过程将产生左手性和右手性分子。但是，当自然界制造分子时，产物要么是左手性的，要么是右手性的。例如，所有用于制造蛋白质的氨基酸都使光线向左扭曲。
实际上，手性是生物化学的重要组成部分。“它提供了一种分子识别形式，”斯克里普斯研究所的化学工程师，乔伊斯的同事唐娜·布莱克蒙德说。分子的手性影响其与其他细胞成分的相互作用。分子锁只能用具有正确手性的钥匙打开。
一些科学家将目光投向天空，以解释这种生物学偏见最初是如何产生的。一些陨石显示出左手性氨基酸（蛋白质的构建模块）的轻微优势，表明这种影响来自外太空。另一种宇宙起源理论认为，来自超新星的圆偏振光引发了偏见。此外，放射性衰变产生的电子更可能具有左手性。这些倾泻到地球表面的电子可能改变了地球早期的化学性质。
然而，大多数生物学家和化学家都对这些天体物理学理论持怀疑态度。它们产生的偏见太小了。达特茅斯学院的理论物理学家马塞洛·格莱泽说，这些理论创造了“生命与非生命之间美好的结合”。“但问题是，这些相互作用非常微弱且短程。” 乔伊斯认为，这些物理力的影响将在化学反应的噪音中消失。“宇宙中如此小的不对称性不足以推动指针，”他说。
生物化学家倾向于支持另一种提议，即生物前化学的偶然发生引发了最初的失衡。也许少量的右手性核苷酸被捕获并放大在浅水池或某些其他生物前试管中。最终，这种偏见达到了临界点，打破了化学镜像，为生命的出现奠定了基础。布莱克蒙德做了大量工作，展示了如何使用纯粹的物理和化学手段将微小的不对称性转化为几乎完全的不对称性。
同时握手
30年前乔伊斯进入这个领域时，研究人员已经在尝试检验一些天体物理学理论。但乔伊斯持怀疑态度。“我想，当这可能是偶然的时候，你为什么要如此努力地寻找普遍的解释呢？”他说。
大约在同一时间，科学家们试图弄清楚生命的构建模块——氨基酸和核酸——是如何自发形成更复杂的分子，如蛋白质、DNA和RNA的。乔伊斯认为，这种组装过程可能会产生镜像的裂缝。一种选择性地从原始汤中挑选右手性构建模块的反应将很快开始仅产生右手性分子，就像一台只从混合箱中选择红色或蓝色乐高积木的机器会创建单色塔一样。
这样的过程将同时解决生命起源中的两个问题：它将创造复杂的生物分子，同时打破镜像。乔伊斯在20世纪80年代进行的实验旨在检验这个想法，但它的失败使人们对右手性RNA分子如何从原始汤的成分中形成产生了疑问。“那是一团糟，”乔伊斯说。“左手性构建模块会毒害正在生长的链。”
这些发现对于新生的“RNA世界”理论尤其成问题，该理论提出生命起源于能够自我复制的RNA分子。RNA是第一个生物分子的最佳候选者，因为它同时具有DNA和蛋白质的特性。与DNA一样，它以碱基序列携带信息。与酶一样，它可以催化化学反应。（RNA酶被称为核酶。）
但是，如果复制RNA的核酶不能在化学对称的世界中发挥作用，那么基于RNA的生命是如何出现的呢？“这有点像一个障碍，”加拿大西蒙弗雷泽大学的生物化学家彼得·昂劳说。自乔伊斯1984年的实验以来，科学家们提出了无数种方法来绕过这个问题，从物理和化学理论到缺乏手性的RNA前体。
鉴于已知的局限性，乔伊斯开始专注于创造一种简单的核酶，使其仅在右手性构建模块存在的情况下才能复制RNA。他的团队取得了一些成功，但没有一个满足RNA世界理论的要求。
因此，去年，乔伊斯和什切潘斯基决定从头开始。他们释放了一池随机的右手性RNA分子，让它们在试管中与左手性构建模块反应。他们希望在随机的RNA分子池中存在一种能够将构建模块串联在一起的核酶。然后，他们分离出最佳候选者——能够复制相反手性的RNA的核酶——复制它们，并将新的池一次又一次地进行相同的试验。
在短短几个月内，他们获得了一种出人意料的有效核酶。右手性版本与左手性RNA模板结合，并产生左手性副本。然后，左手性副本可以继续产生右手性版本。“他们所做的令人惊叹，”亚利桑那州立大学坦佩分校的生物化学家约翰·查普特说。“它确实触及了手性起源问题的核心，并为推动事物向前发展提供了一些可靠的证据。”
也许更令人兴奋的是这种酶的工作效果有多好。迄今为止创造的其他核酶过于挑剔，无法孕育生命；它们仅复制某些RNA序列，就像只能种植土豆而不能种植胡萝卜或豌豆的土壤。但是乔伊斯的核酶可以产生一系列序列——包括它自己的序列。而且它还在变得更好。论文中的核酶仅在16轮进化后出现，对于这种实验来说，这是一个令人震惊的短暂运行。进一步的进化轮次已经提高了它的能力，尽管这些发现尚未发表。“最美妙的是，这仍然是一种年轻的酶，”莱曼说。“还有很大的改进空间。”
新核酶如此有效的原因在于其不寻常的运作方式。常规核酶根据其字母序列与其目标结合，就像拉链的两侧合在一起一样。有时它工作得太好，目标会被卡住。这种结合仅适用于两个具有相同手性的分子，这意味着乔伊斯的核酶不能以这种方式结合。
相反，它基于分子的形状而不是序列进行结合，事实证明这种方法更加灵活。“他们发现了一些全新的东西，”莱曼说。“这表明有很多我们不知道的东西。”
科学家现在拥有了一种不需要手性世界的酶。包括乔伊斯本人在内的研究人员仍在试图理解其含义。这些发现开启了手性在生命首次进化后出现的可能性。“也许我们不需要打破对称性，”布莱克蒙德说。
哈佛大学的生物化学家，乔伊斯的合作者之一杰克·肖斯塔克对这些发现感到兴奋，尤其因为该核酶比早期版本灵活得多。但是，他说，“我怀疑生命是以这种方式开始的。” 肖斯塔克认为，这种情况将需要左手性和右手性RNA酶同时在同一地点出现，这是极不可能的。
右手性统治
如果手性在生命起源后的某个时候出现，那么问题仍然存在：为什么右手性RNA获胜？左手性和右手性分子具有化学上相同的性质，因此没有明显的理由让其中一种胜出。
乔伊斯和其他人怀疑这仅仅是偶然。假设一种能够将混合核酸池转化为左手性和右手性RNA的核酶出现在早期地球上。它将产生两个不同的群体，左撇子和右撇子，反过来，它们可能像竞争种群一样发挥作用。“如果右手偶然发现了有用的突变并赢得了比赛，那么镜像的另一侧可能会变暗，”乔伊斯说。例如，右手性RNA组可能已经发展出某种竞争优势，例如产生蛋白质，最终超越了左手性组，并产生了我们今天看到的偏见。
只有一种方法可以真正确定哪只手更优越：构建向每个方向扭曲的生命形式，并肩评估它们。哈佛大学的乔治·丘奇及其合作者正致力于做到这一点。如果他们可以制造所有细胞部分的镜像版本，他们就可以构建合成细胞，并比较原本相同的左手性和右手性生命版本。
为了创造镜像RNA，丘奇及其合作者首先需要制造能够将镜像构建模块缝合在一起的镜像酶。犹他大学的迈克尔·凯的团队几乎完成了化学合成一种此类酶的普通版本的方法的开发。一旦完成，两个团队将应用相同的方法来制造能够组装镜像RNA的镜像酶。丘奇和其他人也在构建检测镜像生命的工具，这可能在寻找其他星球上的生命迹象时证明非常重要。
乔伊斯仍然对从零开始创造生命感兴趣。他说，包括手性问题在内的一切都只是通往更大奖项的障碍。
新的核酶可能提供了迄今为止最好的机会。它几乎满足了生命最基本的属性——复制和进化的能力。“他们甚至展示了镜像可以复制自身，”查普特说。“这非常接近复制。” 下一步将是使这种情况迭代发生。“如果你照镜子，复制一个，然后把自己放在镜子里，复制镜子里的人，那么你就有了复制，”查普特说。
迭代过程开启了进化的可能性，因为复制过程中产生的错误将使分子能够进化出新的特性。“所有这一切的真正关键在于建立一个能够在实验室中自行进化的系统，”昂劳说。“杰里快成功了。”
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