丙酮酸和絲氨酸的堿基
堿基壹***有4種，可以形成64個密碼子，而細胞直接用於合成蛋白質的標準氨基酸卻只有20種，所以遺傳密碼必然有所冗余，大部分的氨基酸都對應了多個密碼子。所有已知的細胞和病毒，都是根據它建立堿基序列和氨基酸的對應關系的。
這顯然是壹份來自末祖的遺產，也是我們追溯遺傳密碼起源的最重要的第壹手資料。面對這樣壹份標準遺傳密碼，我們萌生的第壹個疑問當然就是“密碼子與氨基酸為什麽會有這樣的對應關系”，比如說，“GGU”為什麽對應甘氨酸，“CUU”為什麽對應亮氨酸，“GAG”為什麽對應谷氨酸？
對此，第壹個重要的意見來自弗朗西斯·克裏克，他是遺傳學奠基時代的燈塔人物。1953年，他與富蘭克林等人***同發現了DNA的雙螺旋和堿基互補配對原則。1957年，他提出了中心法則的標準流程。1961年，他又確定了密碼子是3個堿基壹組，連續且不重疊。
在此基礎上，1966年，人類破解了全部遺傳密碼，才得到了上面那份標準遺傳密碼。1968年，面對這份標準遺傳密碼，弗朗西斯·克裏克提出，它的起源只是個偶然。堿基序列與氨基酸反正得有個對應關系，不是這樣也得是那樣，在生命誕生的極早期，不同的元祖完全可以有各不相同的遺傳密碼。
但只有極少數幸運的元祖留下了存活至今的後代，如今所有的生命越發可能只來自同壹個最幸運的末祖，當然就都偶然繼承了其中的某壹套遺傳密碼。而遺傳密碼又是遺傳的根本，任何微小的變動都可能把所有遺傳信息變成亂碼。
所以，這個偶然就被後世的每壹個細胞嚴格固定下來，墨守成規，歷經40億年的進化也絕難改變。反過來，如果當年是別的元祖發展成了延續至今的生命，標準密碼子就會是另壹副模樣了。原本只是壹個偶然，但偶然在至關重要的地方，壹旦發生就無法改變——這被克裏克形象地稱為“凍結偶然假說”。
當然，在生命這樣的漲落系統上，我們幾乎說不出任何絕對的東西，遺傳密碼也不例外。標準遺傳密碼固然涉及遺傳的根本，但是某些不那麽關鍵的冗余密碼子，卻可能在進化中出現壹些細小的變化，成為“非標準遺傳密碼”。
比如“UGA”在標準密碼表裏是“終止”，表示翻譯結束，但在高等哺乳動物體內卻編碼了色氨酸；“AGG”本來編碼了精氨酸，但在絕大多數真核生物的線粒體內卻表示“終止”；而“CUG”本來是亮氨酸的編碼，卻在某些真菌體內編碼了絲氨酸。非標準遺傳密碼雖然是些例外，但也只是標準遺傳密碼的極其細微的局部修改，而不是另外壹套獨立的遺傳密碼。
所以，壹切外星病毒感染地球生命的科幻故事，全都是無稽之談。哪怕拋開生命的各種可能性全都不談，後退無窮步非要假設外星病毒的遺傳物質也是DNA和RNA，也用這4種堿基3個壹組編碼20種氨基酸，那也意味著超過1084種編碼方案，這個數字恐怕比可觀測宇宙中的原子總數還大，外星病毒與我們采用同壹套遺傳密碼的概率實在太低了。
它們要用我們的細胞制造有生化功能的蛋白質，就好像壹個從來沒有接觸過中文的英國人要把“東邊日出西邊雨，道是無情卻有晴”翻譯成地道的英語，還要保留所有的平仄、韻腳和修辭，這是根本不可能的事情。
在今天看來，凍結偶然假說在很大程度上是正確的，體現了壹切進化現象的原則性問題。畢竟，進化建立在隨機突變上，偶然本來就是進化的左腿。但是，進化又不是個純粹的偶然，自然選擇無處不在，所以密碼子的起源又恐怕不是這麽簡單。
如果把所有密碼子與它們對應的氨基酸用不同的方式排列起來，我們又會發現，這三位密碼子中的每壹位都有獨立規律。首先，早在20世紀70年代和80年代，生物化學家們就發現，密碼子的第壹位堿基與氨基酸的合成原料有著顯著的對應關系。
第壹位堿基是A的7種氨基酸中，有5種的合成原料是α-酮戊二酸；第壹位堿基是C的5種氨基酸中，有3種的合成原料是草酰乙酸；第壹位堿基是U的6種氨基酸，合成原料全都包含丙酮酸；第壹位堿基是G的4種氨基酸沒有統壹的合成原料，但全都能以同壹類的有機酸為原料，以相同的反應合成出來。
如果考慮密碼子的冗余性，排除重復的密碼子，比如排除C開頭的亮氨酸、A開頭的絲氨酸和精氨酸，我們會更驚訝地發現，除了組氨酸，所有的氨基酸都服從這種對應關系。第壹位堿基就對應了它們的合成原料，至於那幾種原料就更有意思了，如果妳除了丙酮酸就再沒有聽說過別的，就會發現這幾種α-酮酸全都是三羧酸循環的成員。
三羧酸循環是物質代謝的中央環線，還暢想過逆三羧酸循環壹旦啟動就能成為氨基酸的來源，說的也是這件事。接著，密碼子的第二位與對應氨基酸的親水性有關。所謂親水性，就是氨基酸除去羧基和氨基之後，余下的部分是親和水分子，還是排斥水分子，這是氨基酸最重要的性質之壹。
對照標準密碼子和各種氨基酸的親水性，我們發現，密碼子第2位是U的氨基酸總是疏水性最強，是A的親水性最強，C和G居中，而C又要略強壹點——當然，這個規律就沒法那麽絕對了，我們可以看到很多例外。至於密碼子的第三位，它就是那種“冗余”的集中體現了：20種標準氨基酸裏，有8種氨基酸的第三位密碼子隨便是什麽都行，只有甲硫氨酸的第三位密碼子必須是G。
這是很容易理解的事情，因為前兩個密碼子只能編碼16種氨基酸，不夠20種，而有了第三位，就能編碼64種氨基酸，遠遠超過20種，當然會有大量的重復。但是，這第三位的冗余又不是完全隨機的，除了8種任意的和1種唯壹的，其余13種氨基酸的第三位普遍都是同種堿基，要麽都是嘌呤，A或G，要麽都是嘧啶，U或C，只有異亮氨酸是個例外，它與那個唯壹的編碼相鄰，所以第三位堿基可以是A、U、C。
以上討論的，就是標準遺傳密碼裏的規律了。既然所有的生命都遵循這套密碼，顯然，這些規律也必然出現在末祖身上，很可能就關系著遺傳密碼的起源。從這些規律出發，生物化學家們提出了“凍結偶然”之外的多種假說，2009年，啟發了白煙囪假說的尤金·庫寧集中評價了其中影響最大的三個假說。
最早提出的假說是“立體化學假說”，也就是密碼子的三個堿基能在空間中形成某種立體形狀，然後特異性地匹配對應的氨基酸，就像水晶鞋和灰姑娘的腳那樣形狀匹配，獨壹無二。這個假說可以追溯到1953年，雙螺旋模型在冷泉港實驗室公之於世的那場研討會上。
研討會在座的，有盛名在外的俄裔美籍理論物理學家喬治·伽莫夫（GeorgeGamow），他是“宇宙大爆炸理論”的正式提出者，是“宇宙微波背景輻射”的預言者，也是宇宙元素合成理論的奠基人。
同時，他也是科普文學的宗師級人物，壹生中寫下18部科普著作，其中，1947年寫成的《從壹到無窮大》，還有1966年寫成的《物理世界奇遇記》直到今天都是全世界首屈壹指的科普讀物回到那場研討會上，雙螺旋和堿基互補配對的嶄新模型讓伽莫夫心馳神往，他在會後陷入了對壹個新世界的沈思：雙螺旋的模型毫無疑問地表明了是“堿基序列編碼了遺傳信息”，但這究竟是怎樣壹種編碼方式，克裏克與沃森卻還沒什麽頭緒。
伽莫夫敏銳地把密碼學用在了堿基序列上，提出堿基序列壹定是3個壹組地編碼了氨基酸，他將這個想法連同他構想的壹些細節上的編碼機制，裝在信封裏寄給了克裏克。坦率地說，當時的伽莫夫雖然在物理學上成就斐然，在分子生物學上卻還是個外行，他對DNA和RNA的大部分認識都是錯誤的，他提出的堿基編碼機制也是錯誤的。
但他把密碼學引入遺傳學的創想卻極富啟發性，克裏克正是在伽莫夫的信中找到了關鍵靈感，在幾年之後證明了RNA上的堿基的確是3個壹組地構成了密碼子。最初的失敗不重要，伽莫夫早已被生命活動的無窮奧秘徹底折服，在克裏克的幫助下，他將整個研究重點轉移到了分子生物學上，並且立刻構想出了第壹個版本的“立體化學假說”。