地球上生命的存在是幸運的偶然，還是自然規律的必然結果？對於一個新形成的行星來說，生命的出現是簡單的，還是經過一系列不大可能發生的事件後幾乎不可能產生的結果？天文學、行星科學和化學等不同領域的進步，現在有望在不久的將來解答這些深刻的問題。如果像科學家們希望發現的那樣，生命在我們星系中多次出現，那麼通往生命的道路一定不會那麼艱難。此外，如果從化學到生物學的路徑被證明是容易跨越的，那麼宇宙中可能充滿了生命。
數千顆系外行星的發現引發了生命起源研究的復興。令人震驚的是，幾乎所有新發現的太陽系都與我們自己的太陽系截然不同。這是否意味著我們自己非常奇特的系統更有利於生命的出現？探測遙遠恆星軌道行星上的生命跡象並非易事，但用於梳理出微妙“生物特徵”的技術發展迅速，幸運的話，我們可能會在一二十年內看到遙遠的生命。
要了解生命是如何開始的，我們首先必須弄清楚行星是如何形成的，以及由什麼成分形成。新一代射電望遠鏡，特別是位於智利阿塔卡瑪沙漠的阿塔卡瑪大型毫米/亞毫米陣列，已經提供了原行星盤的美麗影像和化學成分圖。這些資訊正在啟發我們構建更好的模型，以瞭解行星如何從星盤的塵埃和氣體中組裝而成。在我們自己的太陽系中，“羅塞塔”號任務訪問了一顆彗星，而“奧西里斯-REx”號正在帶著來自小行星的樣本返回地球，這可能會為我們提供構成我們星球的物質的基本清單。
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致謝：馬修·特沃姆利
一旦像地球這樣的行星——不太熱也不太冷，不太乾燥也不太潮溼——形成，必須發展出什麼樣的化學物質才能產生生命的基石？在 20 世紀 50 年代，標誌性的米勒-尤里實驗用電脈衝（模擬閃電的影響）轟擊水和簡單化學物質的混合物，證明氨基酸（蛋白質的組成部分）很容易製造。然而，事實證明，其他生命分子更難合成，現在看來，我們需要徹底重新構想從化學到生命的路徑。核心原因在於 RNA 的多功能性，RNA 是一種非常長的分子，在所有現有生命形式中都發揮著多種重要作用。RNA 不僅可以像酶一樣發揮作用，還可以儲存和傳輸資訊。值得注意的是，所有生物體中的所有蛋白質都是由核糖體（細胞機器，讀取遺傳資訊並製造蛋白質分子）的 RNA 成分的催化活性產生的。這一觀察結果表明，RNA 在生命進化的早期階段佔據主導地位。
今天，嬰兒地球上的化學物質如何產生 RNA 以及基於 RNA 的細胞的問題是生命起源研究的核心問題。一些科學家認為，生命最初使用更簡單的分子，後來才進化出 RNA。然而，其他研究人員正在正面解決 RNA 的起源問題，令人興奮的新想法正在徹底改變這個曾經沉寂的化學研究分支。備受青睞的地球化學場景涉及火山區域或撞擊坑，具有複雜的有機化學、多種能源以及動態的明暗、冷熱和乾溼迴圈。引人注目的是，通往 RNA 的許多化學中間體從反應混合物中結晶出來，自我淨化，並可能在早期地球上作為有機礦物質積累——當條件改變時，這些物質儲備等待著生命的到來。
假設關鍵問題得到解決，我們仍然需要了解 RNA 是如何在第一個原始細胞內複製的。研究人員才剛剛開始確定可能使 RNA 能夠自我複製的化學能源來源，但仍有許多工作要做。如果這些障礙也能被克服，我們或許能夠在實驗室中構建複製、進化的基於 RNA 的細胞——重現生命起源的可能途徑。
接下來會發生什麼？化學家們已經在問，我們這種生命是否只能透過一條合理的途徑產生，還是多條途徑可能導致從簡單的化學物質到基於 RNA 的生命，再到現代生物學。其他人正在探索生命化學的變化，尋找關於宇宙中可能存在的生命多樣性的線索。如果一切順利，我們最終將瞭解從化學到生物學的轉變有多麼穩健，從而瞭解宇宙是充滿生命形式，還是——除了我們之外——一片荒蕪。
本文是專題報道《科學領域中最大的問題》的一部分，由卡弗裡獎贊助。它由大眾科學和自然雜誌編輯獨立製作，他們對所有編輯內容負全部責任。