很少有问题像探索生命的起源那么神奇。由于科学家对任何有关系的线索都很留意，因此，他们已经对这个故事的主体积累了很多的资料。
1973年，科学家发现了一个跟我们所想象的“生命起源”很有关联的海底新世界。俄勒冈州立大学的海洋学家柯利斯（Jack Corliss），第一次看到海底大陆板块裂缝附近，岩浆、蒸气和气体仍一直和海水混合着，就像太古代的情况一样。除了偶尔出现的深海鱼类，及最顽强的微生物构成的坚韧薄膜外，今日漆黑而寒冷（4℃）的洋底，几乎到处都是了无生机的不毛之地。
不毛之地的生机
然而，沿着地球大板块的裂隙、有硫化物自底下炽热地冒出来的地方，都会有奇特的海底生物群落。接近赤道的加拉巴哥群岛（Galapagos Islands）、墨西哥下加利福尼亚（Baja California）海底，及墨西哥湾（距佛罗里达圣彼得堡向西行数小时的车程）水深3400米处等这些有硫化物喷出的裂隙，海洋学家都发现了裂谷虫属（Riftia）的巨大红色管虫，之所以称作这个属名，是由于这种管虫只在洋底的裂谷才能找到。
裂谷虫以及其他各种不同的鱼、大蛤蚌、其他蠕虫类，以及一种罕见的章鱼，都围绕着这些喷发热气的裂隙，聚集生长。这些深海动物没有一种是以植物为食。植物、藻类及任何需要进行光合作用的生命形式都需要阳光，但是阳光根本就无法照射到海底。这些裂谷动物取而代之的食物是一种黏黏的细菌，而这些细菌的能量来源，则得自于地球热水喷出口所冒出的硫化物，及其他含氢气体。
所有生命的化学性质，包括我们的肉体，都是由还原的碳化合物（即周围包围着氢原子的碳原子）所组成的。柯利斯相信：生命，应该始于太古代，地球温水浅滩中的古代板块边界。在这种地区，来自地球内部、富含氢的气体，和大气层中富含碳的气体发生反应而产生生命！（根据估计，我们身体里的碳，其中有90%至少曾经通过这种板块裂缝及开口一次以上，因而出现在地球表面。）
奇特的碳原子
碳的键结弹性，是地球生命的重要秘密之一。在高热、潮湿及熔融的地球太古代，处于高度活跃状态的碳原子，可以很快地和氢、氮、氧、磷及硫等元素结合，产生许多不同的物质；这些含碳分子的组合一直持续生存、反应与进化。而这六种元素现在则是所有生命的化学基石，占了每个生物干重的99%。剩下的1%，则是一些非常微量，却也是不可或缺的元素，包括锌、钾、钠、镁、钙、铁、钴、铜及硒等。
此外，从细菌到人类身体的细胞，在这些不同的生命形式里，这几种元素所占的百分比、氨基酸及基因组成的比例，以及细胞中长链蛋白质和DNA大分子的分布，都很相近。正如达尔文认为猿猴及人类的相似性那样，这些化学层次的相似点，指出了所有生命来自共同的祖先；更进一步地，它也指出早期地球所存在的状况：当时生存的细胞及其周遭的环境，在化学组成上的差异性很小。
原始地球模型实验
1953年，在芝加哥大学所进行的一系列著名实验，开拓了实验科学的新领域。这些实验分别被称为“有生命以前的化学”“原始地球模拟实验”或“实验化学进化”等名称。尤利（Harold C.Urey）与他的学生米勒（Stanley L.Miller），共同用类似闪电的电击方式，持续地冲击一个模仿原始大气的环境（以氨、水蒸气、氢及甲烷混合的大气）达一星期，产生了丙胺酸及甘胺酸这两种氨基酸，和其他许多以前认为只能由活细胞才能产生的有机物质（这些有机物质是由少量的碳、氮、氢及氧原子组成的小分子，而氨基酸则是所有蛋白质的基本组成）。
自尤利和米勒实验成功之后，几乎每一种细胞内复杂分子之基本组成，都曾在实验室中被以不同能量源，例如电击火花、静电、紫外线或加热等，施加于各式各样的简单气体与矿物质溶液混合物中而产生。令人确信的是，生物蛋白质中含量最丰富的四种氨基酸，是最容易在这些过程中生成的。生物细胞必需的化合物——三磷酸腺苷（ATP，一种在细胞内储存能量的分子），以及其他成为核苷酸（nucleotide，DNA分子的基本单位）的三磷酸先驱物质，也可以在这类实验中形成。
在最近的研究中，组成DNA及其合作伙伴RNA分子的五种碱基：腺嘌呤（A，adenine）、胞嘧啶（C，cytosine）、鸟粪嘌呤（G，guanine）、胸腺嘧啶（T，thymine）以及尿嘧啶（U，uracil），可以在使用电击火花冲击甲烷、氮、氢及水蒸气的混合物后发现。RNA（核糖核酸）也像DNA一样，是每种生物细胞发挥功能及复制生殖必需的长链分子。RNA也可以携带遗传信息，它们是由碱基、五碳糖、磷酸所构成，这些分子可能是在冥古代时期受到太阳辐射而形成的。像早期地球环境一样，这些不同的实验组合可以制造出其他各种相关的有机化合物。它们的身份及可能的功能，对于人类而言常常是神秘的，但是对过往的微生物却一点也不陌生。如果不被保存在无菌状态的水溶液中，这些实验室合成的复杂化合物，很快便会被空气中的细菌及真菌所吞食。微生物是无所不在的，只要一有机会，它们就迅速出现，享受这顿水里的快餐。
人工合成了DNA及RNA
虽然不曾有细胞在试管里无中生有，但沙克研究院（Salk Institute）的化学家奥格（Leslie Orgel）发现，在没有任何活细胞及复杂化合物的情况下，一条接近五十个核苷酸大小、像DNA的分子，竟能自发地从简单的碳化合物及铅盐中形成。德国哥廷根研究院（G?ttingen Institute）的艾根教授（Manfred Eigen）和他的伙伴，曾制造过简短的RNA分子，它们可以在没有任何活细胞的状况下自行复制。
哥伦比亚大学的斯皮戈尔曼（Sol Spiegelman）和他的同伴米尔斯（Donald Mills），则在试管中合成了变种的RNA传染病毒，它们可以在细菌宿主体内完整而持续地自行复制（由于病毒无法自己制造真实生命系统所需的所有组成，因此，它们只能勉强算是覆盖着蛋白质的DNA或RNA，并仰赖它们的宿主细胞而生存）。虽然斯皮戈尔曼只使用了一种酵素（用来加速化学反应，且可重复使用的生化物质）、一种核酸（在这里是用RNA），以及核酸的小分子先驱物——核苷酸，不过他也投注了另一种早期地球不存在的能量：人类的努力及金钱。
“生命起源”论战
这种实验使科学家及一般人相信，几道闪电撞击到太古代富含化学物质的海洋“浑汤”中，就刚好可以使碳、氢原子和其他元素，以正确的组合方式结合在一起而产生生命。有一个普遍存在的观念：生命是从“无生物的浑汤”中突然且几乎是一瞬间出现了的。
然而其他科学家则主张，这种瞬间形成生命的概率，天文数字般的小，甚至比在垃圾场里由龙卷风卷走一架波音707飞机还不可能。但是，并没有任何可信的方法来评估，从无生命自发产生生命的概率到底有多少。如同生命起源专家奥格所讥讽的：“我们甚至不知道其他1020种浑汤是否可用。”我们所能知道的是，生命的确出现了。还有些理论学家则倾向于假设，由陨石携带着已经发展完全的生命分子，到地球上播种。他们根据的事实，是陨石中曾经发现与五种核苷酸及氨基酸有关的化合物。
但是，“瞬间形成的生命”及“来自陨石的生命”这两个结论却偏离了重点：从无生命到缓慢酿造成早期生命的适当地点，是早期的地球。借着周期性变化和能量灌注的环境，的确有足够的时间及能源可供生命分子自化学反应中结合形成。此外，化学物质并不是随机的组合，而是有次序、依一定形式合成的。我们并不需要在面对充满着可能性的证据之际，推测那些不太可能的事物。
在陨石中，有机化合物的出现，似乎只证实了碳元素在一个富含氢的环境中受到能量的作用（这种反应条件即使在宇宙中没有，也必然存在于我们的太阳系中），并借着化学运作的规则，产生构筑生命的基石。但地球还有其他独特的性质，包括潮湿的地表、温和的气候和重力，让它成为比其他星球更适合生命发展的环境。由于地球的状况适合某些特定的化学组合，长久以来生命的发展方向便决定了。
生命的摇篮
早期地球的池沼、湖泊及温暖的浅海，长期暴露于冷与热、紫外线与黑暗、蒸发与降雨的周期循环中。在这样的能量状态之下，藏着它们特别的化学组成；所有的分子在阳光所释放的能量中组合、拆解、再重组。当地球上各种不同的小环境安定到一个较稳定的状态时，更复杂的分子链便形成了，并能在较长的时间里仍保持完整。例如，氢化氰（HCN），这是在星际太空中产生的分子，且对现代利用氧气的生物是致命毒物。氢化氰在自身相互结合五次后，便成为腺嘌呤（H5C5N5）——现今生物体内核苷酸的主要成分之一，可以制造DNA、RNA及ATP。
在大气中如果没有氧气参与反应并加以破坏，氨基酸、核苷酸和简单的糖类便可以形成，并同时保存在溶液中。即使是ATP这种所有活细胞都用来携带能量的分子，也可以由腺嘌呤结合核糖（一种带有五个碳原子的糖）以及三个磷酸基而形成。
有些分子则转变成触媒（即酵素），它们可以让其他分子较容易、且快速地结合或分离，而自己则毫发不伤。触媒在生命产生之前是很重要的。因为，它们可以在化学反应过程中对抗分子之间漫无目的的碰撞，产生有秩序及特定的结合形态。逐渐地，触媒及它们所促成的反应比其他化学反应增加了好几倍。虽然反应愈趋复杂，但这种作用方式仍然持续着无比的威力，它们一直在早期地球的水层中周旋着。
今天，某群特定分子可以自体催化一系列令人惊讶、复杂而有秩序或循环性的化学反应，而每个化学变化都会在分子链中引起另一个反应。某些这类“已死的”自体催化反应，在漫长的时间里增加分子的复杂性以形成固定的形态，其实是属于“生命”的古老记忆。
“超循环”是生命的基石
从理论计算及实验证据来看，两个或更多的自体催化循环作用彼此交互反应的结果，会产生一种“超循环”（hypercycle）。
有些科学家认为，这种触媒化合物会为了“竞争”环境中的元素，而自动限制它们自己的生存。但是，“超循环”的基本概念其实刚好相反。可以自行组织所形成的化合物，不会在化学生存战斗中彼此毁灭；它们只是彼此互补，以产生具有生命形式、且最终能执行复制的结构。这些循环作用不仅是形成第一个细胞的基础，也构筑了以细胞及其产物为基础的无数生命结构。
循环作用对生命而言非常重要，它们允许生命在大环境有所改变、并倾向于混乱复杂之际，仍能保有过去所留存的关键元素。
当化学物质所受的保护愈多并变得愈集中时，它们不但愈能自行增强活力，使活动变得更复杂，并可以维持更久的活性。有些物质隐身于泡沫，或是固定于黏土和晶体的规则表面上，以达到目的。在太古代，自然界进行长碳氢链实验所产生的化合物，可以包住一滴来自周围环境的水珠。这种允许其他化学物质进出这层藩篱的化合物，就是半透膜。它如同一道具有弹性的门，允许某些特定化学物质进入，却可以阻挡其他不被接受的化学物质。
由几种化学成分组合起来所构成的薄膜，在建构生命的大业中，实在是一项精简的奇迹。的确，在模仿地球温度、酸度、降雨和蒸发循环的反应条件下，我们能成功重演薄膜再造实验。
细说薄膜
当一条碳氢链与一个磷酸基及氧原子连结时，磷酸基的一端会带电荷，而另一端则不带电荷。这整个化合物会在带电端吸引水分子，并且在不带电的一端排斥水分子。这样的化学物质叫作磷脂质（phospholipid），它们彼此肩并肩排列在一起，不带电的一端会远离水分子，而带电端则指向水层。
这就是为什么油滴入水中，会迅速形成一层膜的原因。所有这类脂质都具有自动卷折成滴的倾向，以隔离内外的物质。当脂质受到水分子两面包夹时，它们会形成双层膜结构。此时，不带电的疏水性尾巴朝内互向，两个亲水性的带电端则指向水层。借着这种方式，第一个膜便产生了——介于“内”与“外”之间的半透性界限；这是“自己”与“外界”之间的第一次区别。
现今生物的膜由数种不同的脂质、蛋白质及碳水化合物所构成。它们的功能是那么复杂且经过精确划分，以至于我们到现在仍不能完全了解。但是第一个磷脂膜，并不像自然界所形成的其他囊状构造；它特别能聚集其他碳化物溶液，使彼此具有交互作用潜力的化学成分，保持在极接近的距离范围内。同时，它还有允许“养分”进入，并阻止水分跑掉的功能。这种“膜”使小宇宙的个别单位的细菌细胞的产生变得更有可能。大部分的科学家相信，在生命本身开始之前，脂质便已经结合蛋白质，制造出类似生命物质的半透明小包裹。没有任何生命可以在缺乏膜的情况下存在。
失去的环节
无论是在理论还是实验操作方面，即使是科学家所制造的最复杂作品，它们与最简单的活细胞之间，仍然有一段距离，即“失去的环节”。事实上，在氨基酸和核苷酸等小型有机化合物，与RNA和蛋白质这些大分子生化物质之间，仍阻隔着一道很深的鸿沟。但是，分子活跃的数亿年可是一段很长很长的时间，而科学家花在模拟生命起源上所需要的实验条件，虽然只有数十年，却已完成了很多的工作。因此，在20世纪结束前，我们在实验室中自发产生一个活细胞将不是一件不可能的事。然而如果给予同样数百万年的时间，自然界所自发形成“超循环”的机会，将远大于研究人员所能做到的。因此，人类若还想要再造生命，就得以策略和计划取代在时间上的盲目等待和坚持。
也许不只一次，可能是很多次，氨基酸、核苷酸、简单的糖类、磷酸盐以及它们的衍生物，在脂质的保护下，借着太阳提供的能量而成形、复杂化，并从外界吸收ATP和其他碳氮化合物当作“食物”。已经有实验室得到由脂类混合物自发产生的特殊复杂构造。例如，加州大学的迪玛（David Deamer）曾观察到：在适当条件下混合正确的组合成分，将使有些核苷酸遭脂球抓住并包围起来。脂球会因为表面张力先一分为二，每一半都各自进行内部的活动。接着，里面的触媒分子开始活跃地维持着脂膜。也许当局部小范围内的有用营养成分供给耗尽时，将造成原始细胞崩溃解散；但其他的原始细胞则可能同时于其他潮湿的环境中形成。
生命得自寻生路
为了生存，每个生命体首先得“自寻生路”或“自我维生”（autopoietic）。换句话说，它得机动地照料自己，以面对世界的捉弄。生命对来自外界扰乱的响应，是使用物质及能量以保持自身的完整。一个生物得常常更换它的零件，更换组成它的化学物但不会失去其本身的特性。这种机动地维持自我和保持整体性的自我维生现象，是所有已知生命生存的基础；所有的细胞都会对外界干扰产生反应，以维持它们内部的一致性。如果外在威胁很严重，正常的循环作用便会瓦解，并引致“裂殖”（schismogenesis）发生。
裂殖一词，由生物学家、哲学家贝特森（Gregory Bateson）提出，意指在生存系统中，其变动有时会变得无法控制的循环作用。贝特森相信精神分裂症（schizophrenia）可以追溯到某种特殊的裂殖现象，在这个情况下，大脑的过度回馈导致精神分裂。但这只是正常循环作用失效的特例。就我们所知，在植物及动物等生物中，“自我维生作用”一般而言是种健康的现象；但“裂殖”则正好相反。然而，即使是细胞的前身，也得有某种自我维生作用。这种能力可以使它们在面对环境的威胁时，得以保持其构造及生物化学反应的完整性。
一旦生命的生化结构建立，若它还想要以自己的方式生存，就得想办法复制自己。在真正的细胞出现以前，生物及无生物之间可能还无法加以区别。第一群类似细胞的生命系统，就像1977年比利时诺贝尔化学奖得主普利戈金（Ilya Prigogine）所说的“发散型的生命结构”（dissipative structures），指组成细胞的物质或过程可自行组织成形，但能随时变换它们的外在形态。借着注入外来的能量，发散型的生命结构可以变得更有规则。
信息论（Information Theory）在通信科技上很有用处，特别是对那些几乎有肯定架构的信息组织。在发散型的生命结构里，信息可以开始自我组织，而生命的小脂球正慢慢出现了。
从发散型生命结构出发
由发散型生命结构及超循环所产生的核苷酸、核糖和磷酸盐的组合大分子链，可以自行复制并催化化学反应。这种分子链，核糖核酸（即RNA），是自然语言中的第一个句子。这些尚无法自我维生、但已高度结构化的早期RNA分子，处在由脂质缠绕的球体内，它们聚集于早期气候温和的地球上、温暖且富含有机物的水域中，在没有掠食者并有足够能量来源的情况下，持续向更复杂的形式进化。
在生命降临之前的冥古代地球，有两种化学趋势主导着世界——自身模仿（self reference）及自体催化作用（autocatalysis）。化学物质循环性地发生反应，产生与它们本身相同或有变异的形式，尝试制造出一个适合重复进行最初反应的环境。
“自我维生结构”则将这种组织形式，更向前推进了一步：在面对外来严重的侵扰时，它们会使用能量，机动且成功地保持自身完整性。这使得它们与外界之间的界限变得更明确，并赋予自己身份的特殊性及记忆能力。因此，纵然今天在我们身体内所有的化学物质一直持续进行着替换，我们却不必改名换姓，或认为自己是不同的个体。我们的组织形式一直保存着，或者说组织形式保存了它自己。从发散型生命结构到RNA超循环、到自我维生系统，以至于第一个可以粗略自我复制的生命个体；我们开始在弯弯曲曲的道路上，看到“自我组合”的生命结构，摇摆地步上生命细胞之旅。