在伽莫夫的設(shè)想里，細(xì)胞合成蛋白質(zhì)的場(chǎng)面就像舞會(huì)后的姑娘們各自尋找自己的套鞋。氨基酸在雙螺旋的小孔上到處試探，最后踩進(jìn)了最適合自己的孔里，按照DNA上的堿基序列站成了一隊(duì)。接著，它們只需彼此縮合，就能變成一個(gè)大分子的蛋白質(zhì)了。

那么最妙的部分來(lái)了：4種氨基酸分布在前后左右4個(gè)方向上，真的剛好形成20種不同形狀的孔，與構(gòu)成蛋白質(zhì)的20種標(biāo)準(zhǔn)氨基酸在數(shù)字上完全匹配！這真是太驚人了，這美妙的契合讓伽莫夫如同發(fā)現(xiàn)了灰姑娘的王子，迫不及待地把它發(fā)表在了1954年的《自然》雜志上，那些設(shè)想中的“◆”形狀的孔，就因此有了“伽莫夫鉆石”這個(gè)名字。

結(jié)果，在短短幾年之內(nèi)，分子生物學(xué)的新發(fā)現(xiàn)證明，這套“伽莫夫鉆石”美則美矣，實(shí)則沒(méi)有一點(diǎn)兒是正確的。但是，堿基的立體結(jié)構(gòu)與20種氨基酸相互吸引的想法，卻并非全無(wú)道理，特別是當(dāng)時(shí)的人們正在深入了解酶的催化原理，發(fā)現(xiàn)酶總是形成某種特定的三維形狀，從而特異性地結(jié)合某種物質(zhì)。

所以標(biāo)準(zhǔn)遺傳密碼才剛剛破譯，基于RNA的立體化學(xué)假說(shuō)就應(yīng)運(yùn)而生了。新版本的假說(shuō)繼續(xù)猜測(cè)RNA密碼子上的3個(gè)堿基能形成特異的三維結(jié)構(gòu)，能與對(duì)應(yīng)的氨基酸相互吸引，而這種相互吸引就是遺傳密碼的起源。

在某些實(shí)驗(yàn)中，研究者把各種氨基酸與各種堿基序列混合在同一份溶液里，使它們隨意組合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)許多氨基酸都與標(biāo)準(zhǔn)密碼子有更大的組合概率，這立刻吸引了許多人的目光。然而，遺憾的是，進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)卻發(fā)現(xiàn)，那種“更大的組合概率”更接近實(shí)驗(yàn)不足帶來(lái)的統(tǒng)計(jì)偏差，就如同扔1元硬幣連續(xù)五次“1”向上，并不代表“1”向上的概率就比“菊花”向上的概率大。

但是總的來(lái)說(shuō)，立體化學(xué)假說(shuō)到目前為止都還缺乏切實(shí)的證據(jù)支持。稍晚的第二個(gè)假說(shuō)是“錯(cuò)誤最小化假說(shuō)”，故事里多次露面的卡爾·沃斯就是這個(gè)假說(shuō)的重要?jiǎng)?chuàng)建者。

這個(gè)假說(shuō)認(rèn)為，遺傳密碼最初在不同的元祖身上形成了許許多多的編碼方案，但是不同的方案有著不同的適應(yīng)性，一個(gè)方案把突變?cè)斐傻腻e(cuò)誤降得越低，就越能在競(jìng)爭(zhēng)中勝出，而我們目前的標(biāo)準(zhǔn)遺傳密碼，就是其中的佼佼者。

所謂“突變?cè)斐傻腻e(cuò)誤”，很好理解：無(wú)論DNA還是RNA，它們?cè)谌魏我淮螐?fù)制、轉(zhuǎn)錄或翻譯過(guò)程中都可能發(fā)生堿基突變，一個(gè)閃失，C就變成了U，U就變成了A，A就變成了G，這種突變?cè)谒y免。

這樣的突變一旦發(fā)生，這個(gè)密碼子就變成了那個(gè)密碼子，如果這兩個(gè)密碼子對(duì)應(yīng)著性質(zhì)懸殊的兩種氨基酸，就很有可能合成出來(lái)一個(gè)存在嚴(yán)重缺陷的蛋白質(zhì)。關(guān)于這種錯(cuò)誤，一個(gè)最經(jīng)典的例子是人類的“鐮狀細(xì)胞貧血”。人體的紅細(xì)胞里裝滿了血紅蛋白，用來(lái)給全身運(yùn)輸氧氣。

而鐮狀細(xì)胞貧血，就是患者的血紅蛋白基因中有一個(gè)A變成了U，把原本編碼了谷氨酸的GAG變成了編碼纈氨酸的GUG——這就麻煩了：谷氨酸是非常親水的氨基酸，折疊的時(shí)候本來(lái)位于蛋白質(zhì)的表面，幫助血紅蛋白溶解在紅細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)里；纈氨酸卻是非常疏水的氨基酸，非常討厭暴露在水溶液里。

這種突變了的血紅蛋白在氧氣充裕的時(shí)候還好，一旦人體因?yàn)閯×疫\(yùn)動(dòng)或者情緒緊張進(jìn)入缺氧狀態(tài)，它們的三維形態(tài)就會(huì)扭曲起來(lái)，然后一個(gè)個(gè)首尾相接地粘連成一長(zhǎng)串。

我們的紅細(xì)胞原本是中間略扁的圓餅形，這下卻被又長(zhǎng)又硬的突變血紅蛋白凝聚物撐成了鐮刀形，不但運(yùn)輸氧氣的能力大幅下降，還會(huì)卡在毛細(xì)血管的拐彎處，形成大范圍的栓塞，肝臟、脾臟、紅骨髓等毛細(xì)血管豐富的組織都將受到嚴(yán)重的損傷。所以，那些從父母雙方繼承的基因都有這個(gè)突變的“純合”患者，常常會(huì)有生命危險(xiǎn)。

回到錯(cuò)誤最小化假說(shuō)上，這個(gè)假說(shuō)的研究者用復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型評(píng)估了標(biāo)準(zhǔn)遺傳密碼在一切可能的遺傳密碼中表現(xiàn)如何，然后發(fā)現(xiàn)只有萬(wàn)分之一甚至百萬(wàn)分之一的遺傳密碼方案能比標(biāo)準(zhǔn)遺傳密碼更加出色。

我們這套標(biāo)準(zhǔn)遺傳密碼的突變后果的確是驚人地小，即便一種氨基酸換成了另一種氨基酸，也大多是換成各種性質(zhì)非常接近的氨基酸，而不給最終的蛋白質(zhì)帶來(lái)強(qiáng)烈的影響。尤其顯著的是，密碼子三位堿基的突變概率并不相等，第二位的突變概率最小，所以我們看到，氨基酸親水性這個(gè)最重要的特征就集中與這一位堿基關(guān)聯(lián)。

這樣一來(lái)，即便其他兩位堿基發(fā)生了突變，氨基酸的親水性也大概沒(méi)什么變化，最后的蛋白質(zhì)不至于壞掉。而密碼子的第三位那樣冗余，則與翻譯的細(xì)節(jié)有關(guān)：轉(zhuǎn)運(yùn)RNA帶著氨基酸在信使RNA上匹配密碼子并非一蹴而就，是一位一位試探著踩出來(lái)的，其中最先試探的就是第三位密碼子。

而這貿(mào)然的試探出錯(cuò)率非常高，甚至不能保證符合那套“互補(bǔ)配對(duì)原則”。這種事情在密碼子的第三位上太平常了，只要一個(gè)是嘌呤，一個(gè)是嘧啶，差不離就能匹配上。所以，密碼子的第三位占據(jù)的信息量越少越好，能分清嘌呤和嘧啶，也就差不多了。

當(dāng)然，標(biāo)準(zhǔn)遺傳密碼雖然很出色，卻還不是最出色的，即便人類都能設(shè)計(jì)出錯(cuò)誤影響更小的遺傳密碼。對(duì)此，我們倒不難給出一個(gè)非常合理的解釋：自然選擇從來(lái)不追求完美，而只需夠用。如果標(biāo)準(zhǔn)遺傳密碼對(duì)突變的抗性已經(jīng)足夠高，那就已經(jīng)可以保證使用它的細(xì)胞不被淘汰，至于那些細(xì)胞能不能在競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出，成為萬(wàn)世的元祖，那要看整個(gè)細(xì)胞的綜合素質(zhì)，并不只看密碼質(zhì)量一件事。

但是排除了這一點(diǎn)，這個(gè)假說(shuō)也仍然有一些理論上的缺點(diǎn)：它實(shí)際上是在解釋遺傳密碼起源之后的早期進(jìn)化，而不是遺傳密碼本身的起源，對(duì)于密碼子第一位堿基的規(guī)律，這個(gè)假說(shuō)也缺乏解釋力。所以，錯(cuò)誤最小化假說(shuō)目前更多地被看作一個(gè)“補(bǔ)充”，而不是真正的“解釋”。

20世紀(jì)出現(xiàn)的第三種假說(shuō)，是“協(xié)同進(jìn)化假說(shuō)”，這個(gè)假說(shuō)并不認(rèn)為遺傳密碼從一形成就會(huì)被“凍結(jié)”，而認(rèn)為它與生命的一切特征一樣，是在進(jìn)化中變得復(fù)雜的。這個(gè)假說(shuō)進(jìn)一步提出，遺傳密碼的進(jìn)化與氨基酸的進(jìn)化有著緊密的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

也就是說(shuō)，最初得到編碼的氨基酸并沒(méi)有20種這么多，而只有區(qū)區(qū)幾種，所以每種氨基酸都對(duì)應(yīng)著許許多多的密碼子。而當(dāng)細(xì)胞合成了一種新的氨基酸，就會(huì)把某種氨基酸的密碼子騰出來(lái)一部分，重新分配給這個(gè)新的氨基酸。

至于是哪種氨基酸的密碼子被騰出來(lái)，研究人員推測(cè)通常是合成反應(yīng)類似的氨基酸，尤其是作為新氨基酸原料的氨基酸。第一個(gè)系統(tǒng)整理這個(gè)假說(shuō)的，中國(guó)一位生物學(xué)家，來(lái)自香港科技大學(xué)的生物化學(xué)家王子暉教授。

他在1975年提出的密碼子重新分配過(guò)程：每一個(gè)箭頭的兩端，都只改變了一個(gè)堿基，同時(shí)，每一個(gè)箭頭所指的氨基酸都能由前一種氨基酸合成出來(lái)。比如說(shuō)，王子暉教授推測(cè)，最初的谷氨酸不只有今天的GAA和GAG，還占據(jù)了CAA和CAG。后來(lái)，細(xì)胞用谷氨酸改造出了谷氨酰胺，就把這兩個(gè)密碼子重新劃給了谷氨酰胺。

再后來(lái)，細(xì)胞又以谷氨酸為原料合成了精氨酸和脯氨酸，就又把一字之差的CGX堿基全都劃分給了精氨酸，CCX堿基全都劃給了脯氨酸。就這樣，隨著細(xì)胞的生化反應(yīng)越來(lái)越復(fù)雜，密碼子的分配也越來(lái)越精細(xì)。這不但強(qiáng)有力地解釋了密碼子第一位的規(guī)律，而且新分配的密碼子當(dāng)然是不要招致災(zāi)禍的好，這又能與錯(cuò)誤最小化假說(shuō)完美地兼容，有效解釋了其他兩位密碼子的規(guī)律。

于是，理論與現(xiàn)象的高度吻合讓協(xié)同進(jìn)化假說(shuō)收獲了廣泛的認(rèn)可。當(dāng)然，同之前的三種假說(shuō)一樣，協(xié)同進(jìn)化假說(shuō)也有自己的缺點(diǎn)：那些箭頭代表的并不都是現(xiàn)代細(xì)胞真實(shí)的生化反應(yīng)，有許多是推測(cè)中的元祖生化反應(yīng)，而這是存在爭(zhēng)議的。

如果把氨基酸當(dāng)作有機(jī)酸的產(chǎn)物，那種關(guān)聯(lián)性也就增強(qiáng)了許多，更何況，那些生化反應(yīng)雖然存在爭(zhēng)議，但元祖與現(xiàn)代細(xì)胞有著不同的生化反應(yīng)，卻是完全合理的推測(cè)。所以總的來(lái)說(shuō)，協(xié)同進(jìn)化假說(shuō)是一個(gè)非常有希望的假說(shuō)，將遺傳密碼的進(jìn)化與生化反應(yīng)的進(jìn)化結(jié)合起來(lái)，這是高屋建瓴的見(jiàn)解。

時(shí)至今日，絕大多數(shù)的研究者都認(rèn)可“遺傳密碼最初只編碼了少數(shù)幾種氨基酸，然后才在進(jìn)化中不斷擴(kuò)大到如今的20種”。至于最先得到編碼的是哪幾種，G開(kāi)頭的4種，即甘氨酸、丙氨酸、天冬氨酸和纈氨酸，又是最被認(rèn)可的，因?yàn)樗鼈兊暮铣煞磻?yīng)最簡(jiǎn)單，而且的確位于密碼子擴(kuò)充路線的起點(diǎn)上。甚至，也有假說(shuō)認(rèn)為這4種也有先來(lái)后到，結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的甘氨酸曾經(jīng)獨(dú)占所有G開(kāi)頭的密碼子。