دانشمندان و فیلسوفان در تلاش‌های خود برای تعریف دقیق "حیات"، ده‌ها تعریف ارائه داده‌اند.  اخیراً، محققان کمابیش بر این توافق دارند که برای زنده بودن، یک موجود باید قادر به تولیدمثل و تکامل از طریق انتخاب طبیعی باشد.
اگرچه این تلاش‌ها ممکن است ما را گام‌به‌گام به درک حیات روی زمین و حیات در جاهای دیگر نزدیک‌تر کند، اما هیچ‌کدام در رمزگشایی چگونگی پیدایش حیات چندان مفید نبوده‌اند. تاکنون، پربارترین رویکرد شامل آزمایش‌های خلاقانه بوده است. این آزمایش‌ها شامل آزمایش‌هایی است که با تکیه بر دانش ما از محیط زمین اولیه، به دنبال یافتن مسیری محتمل هستند که از طریق آن، شیمی ابتدایی می‌توانسته به زیست‌شناسی ساده تبدیل شود.  جای تعجب نیست که تلاش‌های اولیه برای انجام این کار با مانعی به ظاهر غیرقابل عبور مواجه شد: ناتوانی در تعیین اینکه چه چیزی اول بوده است -  قدرت سرعت بخشیدن به واکنش‌های شیمیایی حیاتی، یا قدرت حمل اطلاعات.
به عنوان مثال، اجزای مولکولی اصلی حیات - اسیدهای نوکلئیک (RNA و DNA) و پروتئین‌ها - را در نظر بگیرید. RNA و DNA وظیفه ذخیره دستورالعمل‌های عملکردی حیات و تمام اطلاعاتی را که از نسلی به نسل دیگر منتقل می‌شود، بر عهده دارند. پروتئین‌ها نیروهای کار حیات هستند و بیشتر عملکردهای بیوشیمیایی یک سلول را انجام می‌دهند. اما ساخت پروتئین‌ها نیازمند اطلاعات رمزگذاری شده در RNA و DNA است، در حالی که همزمان، خودِ مونتاژ RNA و DNA  نیازمند پروتئین‌ها است!

شروع از کوچک: محققان فکر می‌کنند یک رشته‌ی RNA می‌توانسته کار یک آنزیم پروتئینی امروزی – یعنی شروع واکنش‌های شیمیایی – را انجام دهد، در حالی که همزمان حامل اطلاعات نیز بوده است.  حتی ممکن است قادر به تکثیر خود نیز بوده باشد که به توضیح منشأ حیات کمک می‌کند.

به طور مشابه، آنزیم‌های پروتئینی هستند که متابولیسم، یعنی فرآیندهای شیمیایی درون سلول‌ها که به آن‌ها اجازه می‌دهد از مواد مغذی و منابع انرژی استفاده کنند، را آغاز می‌کنند. با این حال، آنچه این آنزیم‌ها را ایجاد می‌کند، مواد بیوشیمیایی هستند که وجودشان را مدیون متابولیسم هستند! چگونه یکی می‌تواند بدون وجود قبلی دیگری به وجود بیاید؟
سال‌ها، این دور باطلِ علّی، یک معمای واقعی "مرغ یا تخم‌مرغ" بوده و بسیاری از دانشمندان را متقاعد کرده است که حیات فقط می‌توانسته از طریق یک تصادف شیمیایی تقریباً معجزه‌آسا پدید آمده باشد. این دانشمندان از خود می‌پرسیدند که چگونه یک مخلوط آشفته از عناصر شیمیایی می‌تواند ناگهان به حیات بیولوژیکی تبدیل شود؟ همانطور که در کتاب جدیدمان با عنوان "آیا زمین استثنایی است؟: جستجوی حیات کیهانی" بررسی می‌کنیم، تحقیقات در دو دهه گذشته در یافتن راهی خلاقانه برای خروج از این هزارتو موفق بوده‌اند.
اولین نشانه‌های یک راه حل بالقوه برای این مشکل در اواخر دهه ۱۹۶۰ کشف شد. رابرت دبلیو. هالی، بیوشیمیست دانشگاه کرنل، توالی و ساختار شیمیایی یک مولکول RNA خاص، معروف به RNA انتقالی یا tRNA، را کشف کرد. سپس، بیوفیزیکدانان آرون کلوگ و الکساندر ریچ با گره‌گشایی از معماری تاخورده tRNA، این تحقیق را ادامه دادند. در کمال تعجب همه، ساختار این RNA بیشتر شبیه یک پروتئین بود تا DNA، با چین‌خوردگی‌های پیچیده -  هیچ شباهتی به مارپیچ دوتایی نسبتاً سفت، بدون ویژگی و نردبان مانند DNA نداشت.
لسلی اورگل، شیمیدان، و فرانسیس کریک، زیست‌شناس مولکولی، بلافاصله متوجه شدند که این به چه معناست. آن‌ها اظهار داشتند که RNA ممکن است در طول پیدایش حیات، نقش یک آنزیم پروتئینی را ایفا کرده باشد -  یعنی شروع واکنش‌های شیمیایی و همچنین حمل اطلاعات. اورگل، در اواخر دهه ۱۹۶۰، با جسارت حدس زد که حیات اولیه روی زمین نه شامل DNA و نه پروتئین بوده، بلکه فقط RNA بوده است.

چگونه یک مخلوط آشفته از عناصر شیمیایی می‌تواند ناگهان به حیات بیولوژیکی تبدیل شود؟

حتی با وجود شهرت بی‌نظیر اورگل، پذیرش این ایده که یک توالی RNA می‌تواند هم اطلاعات را ذخیره کند و هم واکنش‌های شیمیایی را تسریع کند (چیزی که در آن زمان تصور می‌شد فقط آنزیم‌های پروتئینی می‌توانند انجام دهند) دشوار بود. اما دانشمندان چاره‌ای نداشتند،  پس از آنکه سیدنی آلتمن، زیست‌شناس مولکولی، و توماس کچ، شیمیدان، در اوایل دهه ۱۹۸۰ کشف شگفت‌انگیز (و برنده جایزه نوبل) خود را انجام دادند مبنی بر اینکه RNA واقعاً می‌تواند به عنوان یک آنزیم عمل کند - و به طور بالقوه همانندسازی خود را آغاز کند.
این کشف، معمای فوق‌العاده پیچیده "کدام اول بوده، مرغ یا تخم‌مرغ؟" را حل کرد.  نتیجه‌ی این کشف حیرت‌انگیز بود: منشأ حیات ممکن است به سادگی به منشأ یک مولکول RNA خود همانندساز  برگردد.
پس پروتئین‌ها و DNA چه می‌شوند؟ آن‌ها می‌توانستند بعداً تکامل یافته باشند، با این مزیت که قادر به کاتالیز کردن واکنش‌ها به طور مؤثرتر و ذخیره اطلاعات به طور قوی‌تر باشند. این مفهوم وسوسه‌انگیز از یک زمان ساده‌تر در تاریخ حیات روی زمین، که در آن RNA به تنهایی هم "مرغ" و هم "تخم‌مرغ" بوده است، توسط والتر گیلبرت، بیوشیمیست، در عبارت کوتاه و مختصر "دنیای RNA" رواج یافت. مولکول‌های RNA، که در داخل پیش‌سلول‌هایی بسیار ساده‌تر از سلول‌هایی که امروزه در موجودات زنده می‌یابیم، قرار داشتند، می‌توانستند تمام نقش‌های اصلی را ایفا کنند و هم به عنوان حامل اطلاعات ژنتیکی و هم به عنوان مولکول‌های عملکردی عمل کنند.

حتی پس از ایده هوشمندانه دنیای RNA، درک چگونگی رشد، تکثیر و تقسیم پیش‌سلول‌های اولیه ساده، نیازمند یک انقلاب فکری بود. به هر حال، این سلول‌ها احتمالاً فقط از یک غشای ساده، به احتمال زیاد متشکل از اسیدهای چرب، تشکیل شده بودند که قطعات کوتاهی از RNA را در خود جای داده بودند. تفاوت عمده بین آن پیش‌سلول‌های اولیه - پیش‌سازهای میکروارگانیسم‌هایی که اکنون می‌بینیم - و سلول‌های امروزی این است که سلول‌های ما در داخل و غشاهای خود یک دستگاه پروتئینی قدرتمند دارند. این دستگاه، انتقال مواد مغذی و آب را از طریق غشا امکان‌پذیر و کنترل می‌کند.
این درک اساسی است که محققان باید با آن دست و پنجه نرم می‌کردند: در حالی که سلول‌های امروزی برای انجام کار خود به بیوشیمی داخلی خود متکی هستند، پیش‌سلول‌ها در دنیای RNA مجبور بودند برای تغذیه به محیط اطراف خود متکی باشند - و نوسانات خارج از پیش‌سلول‌های اولیه بود که فرآیندهای رشد و تقسیم پیش‌سلول‌ها را هدایت می‌کرد.

منشأ حیات ممکن است به سادگی به منشأ یک مولکول RNA خود همانندساز  برگردد.

یک مثال چشمگیر را در نظر بگیرید: وقتی یک پیش‌سلول دارای مرزهای چندلایه است چه اتفاقی می‌افتد؟ هنگامی که مولکول‌های اسید چرب اضافی به آن داده می‌شود، غشای بیرونی یک لوله ایجاد می‌کند که ضخیم‌تر و بلندتر می‌شود و با تبادل مواد بین غشاهای لایه‌ای، کل پیش‌سلول به یک رشته بلند، شکننده و چندلایه تبدیل می‌شود. این امر تقسیم سلولی را آسان می‌کند. حتی نیروهای برشی ضعیف، مانند نیروهایی که توسط باد بر سطح دریاچه وارد می‌شوند، می‌توانند چنین رشته‌ای را به پیش‌سلول‌های "دختر" تقسیم کنند، در حالی که محتویات ارزشمند (مانند RNA) را در داخل فرزندان حفظ می‌کنند.

میلیاردها سال پیش چه اتفاقی در جهان افتاد که به اولین پیش‌سلول‌ها اجازه ظهور داد؟ هیچ زمانی هیجان‌انگیزتر از اکنون برای جستجوی پاسخ به این سوال وجود نداشته است. اکنون واضح است که برای داشتن شانسی برای حل این معما - و همچنین اینکه آیا منشأ حیات اجتناب‌ناپذیر بوده یا یک اتفاق تصادفی - دانشمندان باید تصور کنند که چه مناظر عجیبی روی زمین می‌توانسته‌اند زادگاه بلوک‌های سازنده RNA، پروتئین‌ها و غشاهای سلولی باشند.

این امر در حال حاضر ثمربخش بوده است. در سال ۲۰۰۹، محققان راه‌هایی را شناسایی کردند که از طریق آنها دو مورد از چهار نوکلئوتید RNA می‌توانستند روی زمین اولیه تشکیل شوند. با توجه به این واقعیت که سناریوی فعلی این است که حیات روی زمین با RNA آغاز شده است، این بدان معناست که ما به نوعی در نیمه راه هستیم.  حتی قابل توجه‌تر اینکه، محققان نشان داده‌اند که دقیقاً همان شیمی می‌توانسته ۱۲ مورد از ۲۰ اسید آمینه - بلوک‌های سازنده پروتئین‌ها - را که در همه اشکال حیات روی زمین دخیل هستند، تولید کند. به عبارت دیگر، اکنون حداقل بخشی از یک مسیر قابل قبول از شیمی به زیست‌شناسی را داریم.

این پیشرفت‌ها در شیمی پیش‌زیستی، همراه با درک فزاینده ما از محیط‌های زمین اولیه که می‌توانستند این شیمی را تقویت کنند - مانند دریاچه‌های سودا یا دریاچه‌های دهانه برخوردی - ما را به تصویری از چگونگی ظهور خود حیات بر سطح سیاره تازه تشکیل شده‌مان نزدیک‌تر می‌کند.