DNA的四种碱基（腺嘌呤A、胞嘧啶C、鸟嘌呤G、胸腺嘧啶T）和蛋白质的20种标准氨基酸是生命在演化过程中形成的基本分子选择。这一现象可以通过以下几方面进行分析：
1. 化学稳定性和效率
（1）DNA的四种碱基选择
- 化学稳定性：DNA的四种碱基具有化学稳定性，能够在细胞环境中长期保存遗传信息。其他碱基可能不够稳定，容易被破坏或产生错误。
- 信息编码效率：四种碱基（A、T、C、G）的排列组合已经足够产生多样性并携带复杂信息。以四种碱基为基础，每个三联体密码子（codon）可以编码 43=644^3 = 64 种组合，足以满足编码20种氨基酸的需求并提供冗余。
（2）20种氨基酸选择
- 化学多样性：20种氨基酸的侧链结构多样，包括极性、非极性、酸性、碱性和芳香族等，能够赋予蛋白质广泛的功能和结构特性。这些氨基酸在数量上达到了复杂性与代谢成本的平衡。
- 生物化学稳定性：这些氨基酸在生物环境中易于合成、相对稳定且能参与多种化学反应，更适合生命系统的需求。
2. 进化的偶然性
- 早期生命的化学选择：生命起源于原始地球化学环境，DNA的四种碱基和20种氨基酸可能是早期化学条件下最容易合成和积累的分子。实验表明，这些分子可以通过简单的化学途径（如米勒-尤里实验）产生。
- 演化的锁定效应：一旦早期生命系统基于这些分子建立并成功复制，它们的使用便通过自然选择固化下来。加入更多种类的碱基或氨基酸可能带来更高的复杂性和代谢成本，反而不利于生命的长期存续。
3. 信息存储与解码的限制
- 编码系统的简化：DNA和RNA的四种碱基足以高效编码遗传信息，避免了更复杂的分子系统可能带来的误读或错误。20种氨基酸已经能构建多样的蛋白质，同时减少了编码的复杂度和错误率。
- 翻译系统的约束：生物体中tRNA和核糖体负责将mRNA翻译为蛋白质。扩展到更多种氨基酸会显著增加tRNA种类和翻译系统的复杂性，可能超出早期生命的容忍范围。
4. 功能和代谢的平衡
- 功能需求的满足：20种氨基酸已经能够满足蛋白质在结构和功能上的大部分需求。增加更多种类可能带来边际效益递减，同时显著提高代谢和合成的复杂性。
- 代谢网络的适应性：生命需要在代谢过程中高效合成和利用这些分子。20种氨基酸与现存代谢网络密切相关，新增的氨基酸可能难以整合进已有网络。
5. 可能的潜力
虽然现有生物系统仅使用四种碱基和20种氨基酸，但并不意味着其他可能性不存在：- 人工生命与扩展碱基系统：科学家已经开发出扩展DNA/RNA碱基（如X、Y）和人工氨基酸。这些实验表明，自然选择的化学体系不是唯一的，但它是演化过程中最稳定且高效的选择。
- 进化的冗余性：尽管当前生命系统仅用四种碱基和20种氨基酸，剩余的密码子冗余（如64个密码子对应20种氨基酸）可能为未来的分子创新提供潜力。
