1997 年底的一个早上，斯坦利·米勒从一个寒冷、冒泡的容器中取出了一支玻璃小瓶。25 年来，他像照料珍稀兰花一样照料着这支小瓶，每天检查，并根据需要添加一些干冰颗粒，以使其保持在零下 108 华氏度。他几乎没有告诉任何人这件事。现在他将这个冰冻的时间胶囊拿出来解冻，结束了这个持续了他 68 年生命三分之一以上的实验。
米勒在 1972 年用氨和氰化物混合物填充了小瓶，科学家们认为这些化学物质存在于早期地球上，并可能促成了生命的诞生。然后他将混合物冷却到木星冰卫星欧罗巴的温度——大多数科学家认为，这个温度太低，不可能发生什么事。米勒不同意。在加利福尼亚大学圣地亚哥分校的实验室里检查小瓶时，他即将看到谁是对的。
那天早上，当米勒和他的前学生杰弗里·巴达从小瓶上刷去霜时，他们看到了一些变化。氨和氰化物的混合物通常是无色的，现在变成了琥珀色，突出了冰中的裂纹。米勒平静地S点点头，但巴达惊讶地叫了起来。这是一种两人都非常熟悉的颜色——由有机分子组成的复杂聚合物的颜色。随后的测试证实了米勒和巴达的猜测。在四分之一个世纪里，冰冻的氨-氰化物混合物凝聚成了生命分子：核碱基，RNA 和 DNA 的组成部分，以及氨基酸，蛋白质的组成部分。小瓶中的内容将支持关于生命如何在地球上开始的新解释，并引起全世界的惊讶和怀疑。
虽然这是米勒最后的实验之一，但它绝不是最终结论。过去几年，源源不断的证据证实了这一点，其中包括一项尚未发表的新实验，米勒的同事、已故的莱斯利·奥格尔称之为“惊人”。
几十年来，研究生命起源的人们一直想象生命是在温暖的条件下从原始汤、热带池塘甚至沸腾的火山喷口中出现的。米勒和其他几位科学家开始怀疑生命并非始于温暖，而是始于冰——在极少数生物现在能够生存的温度下。斯克里普斯海洋研究所的巴达（现位于加利福尼亚州拉霍亚）说，化学定律本身可能偏爱冰。“我们争论了很长时间，”他说，“从化学角度来看，寒冷条件比温暖条件更有意义。”
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米勒的冰冻实验是这一理念的有力证明。虽然生命需要液态水，但即使在零下 60 华氏度，少量液体也能存在。冰中微小的水囊可能聚集了像米勒合成的那样的简单分子，并将它们组装成越来越长的链条。一立方码的海冰含有百万个或更多的液态隔室，这些微小的试管可能创造了独特的 RNA 混合物，最终形成了最初的生命。
如果地球上的生命起源于冰，那么我们在太阳系其他地方——更不用说银河系其他地方——发现生命的机会可能比我们想象的要好。
米勒实验室里冷却的氨和氰化物小瓶只是他储存的化学混合物之一，像酒窖里的葡萄酒一样陈酿。有些样品放在冰柜里，有些放在水槽下，还有一些放在保持不同温度的水浴中。它们是了解早期地球上必定经过数千年才发生的化学反应的努力的一部分。每个样品的位置都储存在米勒的脑海中；偶尔他会给一个学生分析。
马修·利维（Matthew Levy）曾是米勒的研究生，现在是纽约市阿尔伯特·爱因斯坦医学院的分子生物学家，他回忆起曾拿到一个 25 年的样品进行研究。“我很害怕，”他说，“我在想，这些样品比我还老。”在接下来的几周里，利维用盐酸溶解样品，并通过一台名为高效液相色谱仪的仪器进行分析，以识别形成的化学物质，他的衬衫上烧了许多洞。设备上的红色和绿色笔在滚动的纸条上描绘出明显的峰值。这些峰值对应于七种不同的氨基酸和 11 种核碱基。
巴达说：“令人惊讶的是，在这些冷冻实验中，某些化合物的产率比室温实验要好。”
有些人觉得这个结果有点太令人惊讶了。当巴达和米勒将他们的发现提交给一家顶级科学期刊时，文章被拒了。手稿的审稿人认为，这些分子肯定是在样品解冻时形成的，而不是在零下 108 华氏度的极低温度下冷冻时形成的。于是米勒、巴达和利维做了更多的实验，以表明解冻没有起到任何作用。他们于2000年在另一份期刊《伊卡洛斯》上发表了他们的结果。
他们所面临的怀疑是可以理解的。化学反应确实随着温度的降低而减慢，根据标准计算，将氰化物分子组装成氨基酸和核碱基的反应在零下112°F时应该比在室温下慢十万倍。按此推算，即使米勒将他的实验进行了250年——更不用说25年了——他也应该什么都看不到。
这是反对米勒实验和一般而言生命寒冷起源的主要论点。但当你将化学物质冻结在冰中时，奇怪的事情发生了。有些反应减慢，但有些反应实际上加速了——尤其是涉及将小分子连接成大分子的反应。这种看似矛盾的现象是由一种称为共晶冻结的过程引起的。当冰晶形成时，它保持纯净：只有水分子加入生长的晶体，而像盐或氰化物这样的杂质则被排除在外。这些杂质聚集在冰中微小的液态口袋中，这种拥挤导致分子更频繁地碰撞。从化学角度来说，它将一场平淡的七年级学校舞会变成了狂野的分子撞击舞池。
“通常当你冷却物体时，反应速率会下降，”莱斯利·奥格尔总结道，他从 20 世纪 60 年代直到去年 10 月去世，一直在加利福尼亚州拉霍亚的索尔克研究所研究生命起源。“但随着共晶冻结，浓度上升如此之快，以至于它们完全弥补了差异。”
氰化物作为“冷冻生命”模型中的前体分子，有几个很好的理由。首先，行星科学家怀疑氰化物在早期地球上含量丰富，由彗星沉积于此，或由紫外线或闪电在大气中产生（一旦大气在 25 亿年前富含氧气，这个过程就会停止）。其次，尽管氰化物对现代动物来说是致命的，但它具有方便的自组装成更大分子的趋势。第三，或许也是最重要的，无论有多少氰化物降下，它只能在寒冷的环境中浓缩——而不是在温暖的沿海泻湖中——因为它比水蒸发得更快。
据奥格尔所说，“冷冻的优点是，在没有蒸发的情况下，你能非常有效地浓缩物质。”冷冻还有助于保存核碱基等脆弱分子，将其寿命从几天延长到几个世纪，并给它们时间积累，或许能组织成更有趣的东西——比如生命。
奥格尔和他的同事们在 1966 年提出了这些想法，当时他展示了冷冻氰化物能有效地组装成更大的分子。荷兰奈梅亨大学的生物化学家艾伦·施瓦茨在 1982 年进一步阐述了这个想法，他展示了在氨的存在下，冷冻氰化物可以形成一种名为腺嘌呤的核碱基。斯坦利·米勒很可能在将他现在著名的样品储存在一个装满干冰和丙酮的冷冻室时，想到了共晶效应。
米勒和奥格尔在实验室中寻找线索的同时，其他科学家则追逐着他们对生命寒冷起源的痴迷，前往地球的两端。
2002年7月，一艘小艇将豪克·特林克斯送到了诺道斯特兰（Nordaustland）的海滩上，这是一个被冰川覆盖、几乎没有植物的岩石岛屿。特林克斯当时是德国汉堡-哈堡工业大学的物理学家，他来到北极圈以北的诺道斯特兰，回溯到40亿年前，即小行星撞击地球后的不久。根据一些太阳演化模型，当时太阳的亮度大约减弱了30%，提供给地球的热量较少。因此，一旦小行星的袭击停止，地球的平均表面温度可能降至零下40°F，一层厚达1000英尺的冰壳可能覆盖了海洋。许多科学家一直困惑于生命是如何在一个基本上是巨大雪球的星球上产生的。特林克斯怀疑，答案在于海冰。
十年前，特林克斯在研究海冰从大气中积累污染物并将其浓缩在冰中液态口袋的趋势时，开始对海冰产生兴趣。他着手探索早期地球海洋上覆盖的一层冰是否可能聚集和组装有机分子。
特林克斯和他的搭档玛丽·蒂奇带着几箱补给和两只雪橇犬，在诺道斯特兰的一间小屋里住了 13 个月。每天早上，他们监测冰的温度并准备当天的实验。为了研究液态口袋的网络，特林克斯将染料注入冰中，并通过显微镜观察它们的扩散。
冬季渐深，24小时的黑暗降临，气温骤降至零下20华氏度。特林克斯继续着他的实验，有时通过敲打锅碗瓢盆来赶走北极熊。有一次，一只海象从冰中冲出，将特林克斯的几件仪器拖入了大海。
他用木板和废弃的汽油罐搭建了一个临时实验台。他戴着手套的手转动着一个旋钮，推动着一根几乎和红细胞一样细的金属电极靠近冰晶。他通过显微镜观察海冰切片，兜帽紧紧地罩住眼睛。伏特计的指针猛地向旁边一跳，记录下晶体表面电压的急剧下降——这是微观电场的证据，这种电场可能会排列和定向冰表面的分子。
到 2003 年，特林克斯回到汉堡时，他已经形成了一个理论：冰不仅仅是浓缩化学物质。冰面是一个由正负电荷组成的棋盘；他想象这些电荷抓住单个核碱基，并将它们像罐头里的薯片一样堆叠起来，帮助它们聚合成 RNA 链。“冰与液体之间的表面层非常复杂，”他说。“冰面与液体之间有很强的键合。这些键合对于产生像 RNA 这样的长有机链很重要。”
2003 年在汉堡的一次讲座中，特林克斯遇到了化学家克里斯托夫·比布里彻，后者当时正在研究在没有引导活细胞中 RNA 链形成的酶的情况下，第一批 RNA 链是如何形成的。特林克斯向比布里彻提出了他的海冰理论，但对比布里彻来说，测试这个理论的实验听起来很混乱——更像玛格丽塔酒的配方，而不是严肃的科学研究。“化学家，”比布里彻说，“不喜欢冰这样的异质物质。”但特林克斯说服他在德国哥廷根的马克斯·普朗克生物物理化学研究所的实验室里尝试一下。
比布里彻将少量 RNA 核碱基——腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤——与人工海水密封在拇指大小的塑料管中，然后将其冷冻。一年后，他解冻了这些管子，并分析了其中的 RNA 链。
几十年来，研究人员一直试图在各种条件下，无需酶的帮助下诱导 RNA 链形成；奥格尔在 1982 年完成的最长链由大约 40 个核碱基组成。因此，当比布里彻分析自己的样品时，他惊讶地看到长达 400 个碱基的 RNA 分子。在新的、尚未发表的实验中，他说他观察到了 700 个碱基长的 RNA 分子。比布里彻的结果如此奇妙，以至于一些同事怀疑是否偶然污染起了作用。奥格尔为这项工作辩护。“这是一个了不起的结果，”他说。“它如此了不起，以至于每个人都希望得到比不那么了不起的结果更好的证据。但我认为它是对的。”
比布里彻在一定程度上操纵了实验条件，因为他并非从零开始培养 RNA 链。在冷冻样品之前，他添加了一个 RNA 模板——一条单链 RNA，它引导新 RNA 链的形成。当新的 RNA 链生长时，它像拉链的两半一样附着在模板上。这一定是构成第一个基因的 RNA 如何自我复制的方式。但是第一步是作为模板的原始 RNA 分子的形成，而这一步是如何发生的仍然是个谜。
冰在这里也可能证明是关键成分。迪默和他的前学生皮埃尔-阿兰·蒙纳德（现在在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室）已经在零华氏度下进行了为期一个月的冷冻实验，没有模板的帮助。在这些相对简短的实验中，他们已经看到了长达 30 个碱基的 RNA 分子，至少和其他研究人员在没有冰的类似实验中看到的一样长。
这是一个很好的开始，但它留下了一个悬而未决的问题：如何从微小的 RNA 片段变成更长、更精巧的链，这些链可以作为第一个酶，执行复制自身等复杂功能？目前已知的最短 RNA 酶链约为 50 个碱基长；大多数都有 100 多个。此外，为了有效发挥作用，RNA 酶必须正确折叠，这需要精确正确的碱基序列。
一位名叫亚历山大·弗拉索夫的年轻科学家偶然发现了一个可能的答案。他当时在加利福尼亚州圣克鲁斯的一家生物技术公司 SomaGenics 工作，开发能附着在丙型肝炎病毒上的 RNA 酶。他的 RNA 酶表现异常：它们通常由单个 RNA 片段组成，但每次他将它们冷却到冰点以下进行纯化时，RNA 链都会自发地将其两端连接成一个圆，就像蛇咬自己的尾巴一样。当弗拉索夫努力修复这个技术故障时，他注意到另一种名为发夹（hairpin）的 RNA 酶也表现异常。在室温下，发夹像剪刀一样，将其他 RNA 分子剪成碎片。但当弗拉索夫将其冷冻时，它却反向运行：它将其他 RNA 链首尾相连。
弗拉索夫和他的同事，谢尔盖·卡扎科夫和布赖恩·约翰斯顿，意识到冰正在驱动这两种酶反向工作。通常，当酶将 RNA 链切成两段时，会消耗一个水分子；当两条 RNA 链连接时，会排出一个水分子。通过去除大部分液态水，冰创造了条件，使 RNA 酶只能在一个方向上工作，即连接 RNA 链。
SomaGenics 的科学家们想知道，早期地球上一个冰冷的地方是否也能驱动一种原始酶做同样的事情。为了调查这一点，他们对发夹 RNA 进行了随机突变，将其缩短至正常的 58 个碱基长度以下，甚至将其切割成碎片——所有这些努力都是为了生产出像早期地球上第一批酶那样不可靠和不完美的 RNA 酶。这些伪原始 RNA 酶在室温下不发挥作用。但将其冷冻后，它们就会变得活跃，以缓慢但可测量的速度连接其他 RNA 分子。
这些发现启发了一个理论，即最初极其低效的 RNA 酶得到了冰的帮助，冰创造了一个环境，鼓励短小的 RNA 片段相互粘连，并作为一个单一的、更大的 RNA 分子发挥作用。“冷冻稳定了由多个 RNA 片段形成的复合体，”卡扎科夫总结道。“所以小块 RNA 也可以是酶，而不仅仅是大的 50 个碱基分子。”
同样具有说服力的是，弗拉索夫制造的伪原始 RNA 酶几乎能抓住并连接任何其他分子。早期地球上的酶可能也做了同样的事情，将 5 或 10 个 RNA 碱基的随机片段连接起来，形成各种序列。
所有这些过程都发生在冰中微小的液态口袋中。“你有数十亿种不同的可能性，”特林克斯说，“因为你有数十亿条这些小通道，”每个通道都像一个微型试管，包含着独特的 RNA 实验。在年轻的地球上，液态口袋可能会扩展成一个通道网络，在冻融循环中混合其内容物，就像夏季的昼夜温差变化一样。在冬季，液态孔隙会收缩并再次变得孤立，回到各自的实验中。通过所有的混合，最终可能会形成一些特殊的东西：一个能够粗略复制自身的 RNA 分子。随着地球变暖，这些分子可能会在新解冻的海洋或池塘中找到家园，在那里可能会出现更复杂的东西——例如细胞状膜。“你有一些东西正在自我繁殖，并且你有可遗传的变异，”墨西哥城墨西哥国立自治大学的生物学研究员兼教授安东尼奥·拉兹卡诺说。“这就是达尔文进化论的开端。我愿意称之为生命。”
没有人能真正知道生命是否就是这样开始的。其他理论认为矿物表面组织了关键分子，或者火山源合成了氨基酸。这些理论不一定相互排斥。早期地球上的冰川可能捞起了矿物尘埃；火山可能将火山灰喷洒到附近的海冰上。原始冰“一定充满了杂质，”拉兹卡诺说，“而这些杂质一定具有催化作用，增强了某些化合物的合成或分解。”
米勒完成他长达25年的实验后不久，中风结束了他的职业生涯。他的实验室，以及40年的样品，于2002年被清空，以便为大楼翻新腾出空间。那些运行了数年或数十年的实验在从未被分析过的情况下被丢弃。当巴达从他导师的冰柜中抢救出几件物品时，安全人员穿着防化服在旁待命，他们是由大学官员派遣的，这些官员担心有毒氰化物的传闻。任何无法识别的样品都被焚烧了。米勒在这次磨难中出现了几个小时，努力寻找词语来辨认那些他如此熟悉的小瓶。
米勒于2007年5月20日去世，但他帮助孕育的这一大胆理论却延续了下来。在最新的进展中，米勒的观点不仅影响了地球生命起源的理论，还影响了太阳系其他地方生命潜力的调查。事实上，正是与巴达关于木卫二欧罗巴的晚餐谈话促使米勒在1997年重新开启了他尘封25年的样品。当大多数科学家关注欧罗巴海洋中生命的可能性时，他和巴达一直在讨论欧罗巴海洋上方10英里厚的冰层中可能发生的生物化学过程。这些推测比以往任何时候都更具现实意义，因为最近发现了土卫二恩塞拉多斯上的间歇泉以及土卫六泰坦上的复杂有机分子。此外，最新研究表明，火星也拥有大量的地下冰，尤其是在两极地区。
如果生命是在这些冰冻区域之一产生的，那么它可能仍然存在于那里。尽管我们所知的生命需要液态水，但在有些地方，生命在冰点以下仍能很好地生存。例如，在渗透北极冰的微观脉络中，高浓度的盐可以在低至零下 65 华氏度的温度下保持微量液态水。细菌和硅藻栖息在这些液态脉络中，阿拉斯加费尔班克斯大学的冰川学家哈约·艾肯怀疑，类似的栖息地可能存在于欧罗巴冰层较低、较温暖的层中，或许在其他卫星上也存在。“可能有数百米深的冰层，如果不是几公里的话，可能非常适合居住，”艾肯说。
液态水——和生命——也存在于其他寒冷的地方。液态水膜即使在远低于冰点时也能存在，就像凝结的水垢一样，附着在某些矿物表面。在某些条件下，这些水膜可以保持液态，温度低至零下 90 华氏度。在格陵兰岛的冰芯中，人们发现了附着在粘土微小颗粒上的细菌，它们生活在只有几分子厚的液态水膜之下。这些细菌缓慢地消耗单个颗粒中的铁，可以维持一百万年才能耗尽食物供应；在更冷的温度下，由于代谢需求较低，它们可能存活数亿年。
如果地球上的生命起源于冰，那么为什么火星、欧罗巴或恩克拉多斯上的生命不能起源于冰呢？“在这个领域你必须保持开放的心态，”巴达说，“如果我要打赌我们在宇宙其他地方发现生命会是什么样子，我怀疑它会更适应寒冷而不是炎热。”
