人人都该懂的地外生命

引言 从地球生命到地外生命

微缩版地球生态系统

在写《人人都该懂的地外生命》这本书时，我偶尔会抬头看看那个放在我桌上的“世界”。我指的并不是贴在墙上的卫星照片，也不是放在书架上的地球仪，而是一个拥有生命气息、欣欣向荣的系统，被密封在一个不超过15 厘米宽的玻璃罐内，它就是微缩版的地球生态系统。这个生态系统完全与外界隔绝，自给自足，自我调节，且可以永续存在。它的设计理念非常简单，地球的4 个主要组成部分，即岩石圈、水圈、大气圈和生物圈（岩石、水、空气和生命），在玻璃罐内都有呈现。所谓陆地就是玻璃罐底部的一把鹅卵石；所谓海洋就是罐子底部几厘米深的水面；所谓大气就是水面上方的空气。在温暖的日子里，水从水面蒸发，并凝结在玻璃罐顶部，再流回底部，完成水的循环。一群小虾、附在鹅卵石上或漂浮在水面上的绿藻和看不见的细菌分别代表动物、植物和细菌等生命形式，它们通通容纳在这个小小的世界中。除此之外，别无他物。生命必需的所有物质都在这个系统中不断循环。这个微缩版世界中的居民相互依赖，共生共荣。藻类是这一切繁荣的基础，是生命存在的决定性因素，因为它们利用太阳光制造了氧气和富含营养的糖类，这是虾和一些细菌生存所必需的。整个系统由光驱动，也就是由来自1.5 亿千米之外的太阳内部的核聚变反应释放的能量来驱动。

除了观赏价值外，这个脆弱的小小世界还完美地诠释了对地球生命至关重要的许多核心因素。而且通过分析这些因素，我们可以推断出其他星球上存在有机体的可能性。关于人类起源的问题有：生命的进化经历了什么样的过程？哪些条件或原料是生命所必需的？哪些地方可能满足这些先决条件？这些问题正在形成一门新的学科——天体生物学。它是多学科研究中热门的领域之一，主要研究恒星系统中的生命，融合了生物学、化学、天体物理学和地质学等学科。这种关于宇宙中生命的起源、进化、分布以及未来的多学科研究，有时也被称为宇宙生物学、外层空间生物学或者生物天文学。作为天体生物学的入门教材，《人人都该懂的地外生命》将会告诉我们该领域激动人心的想法、的科学发现，以及有待解决的问题。在介绍这些重要思想时，我不时会回头看看桌上的那个小小世界——微缩版的生态系统。

在这个微缩版的生态系统中，有些东西具有生命。小虾活跃地游来游去，它们会吃掉藻类，然后成长发育，有时也会繁殖后代。如果我们将外部世界的生物放进这个玻璃罐内，水中的氧气浓度将会降低，而二氧化碳的含量将升高。如果太长时间缺乏氧气或营养物质，小虾将不再游动，甚至死亡。搁在玻璃罐底部的鹅卵石显然是没有生命的，它们不会动，不会对环境做出响应，也不会生长或者繁殖，只要水中的化学物质含量不变，它们就是完全惰性的。从这个角度，我们可以得出“小虾具有生命，而鹅卵石没有生命”的结论。这种识别方法很简单。但是，如果我们将机器人探测器发送到另一个陌生的世界去寻找生命，它需要观测哪些东西呢？我们如何才能知道应该去寻找何种生命迹象？哪些化学过程可能会揭示生命的活动？我们如何能确定，数十亿年来一直遵循着自己的进化过程、完全与地球隔绝的生命会跟地球生命一样呢？如果我们降落在其他星球上，应该如何识别生命？我们凭什么认为，地外生命也是碳基的，离不开水，而不是由与地球上完全不同的分子经过不同的生物化学反应构建起来的？这些问题的关键在于：生命究竟是什么？

微缩版的生态系统也展示了两种完全不同的生命类型。一些生物是自给自足型的，它们从环境中摄取原料和能量，维持自身的生长；另一些生物则需要消耗其他生物。藻类利用太阳光的能量，通过光合作用进行复杂的生物化学反应，实现生存和繁殖，因此，藻类是自给自足型的。而小虾和细菌则完全依赖于藻类提供的营养物质。地球生命起源的未知之谜是，地球历史上的个细胞是依靠消耗已经存在的有机分子为生，还是完全自给自足的。除了光合作用，地外生命还有可能利用哪些能源呢？难道光合作用是生命汲取能量普遍的方式？光合作用释放的氧气在地球大气层中达到了较高含量，因此，我们可以通过检测氧气含量来证明遥远的行星上是否存在生命，因为我们现在已经能够在光年以外的距离上检测氧气的信号。释放氧气的光合作用的形成是地球历深刻的变化之一。

我桌上的这个微缩版的生态系统是完全密封的，生命所需的所有原料都必须在系统内循环。小虾和藻类产生废产品——二氧化碳，而二氧化碳是藻类进行光合作用的原料。不过，我们肉眼看不到玻璃罐内的这种碳循环过程。小虾释放出的二氧化碳以气体的形式储存在大气中，之后会溶解到水中，由藻类通过光合作用吸收并合成有机物质，这些有机物质被用来构建藻类的细胞，而藻类会被小虾吃掉，小虾再释放出二氧化碳，实现生命物质的循环。这个小小的密闭生态圈反映了碳在真实的水圈、大气圈和生物圈中的循环过程。不过，微缩版的生态系统无法展示地球生态系统的其他重要方面，比如碳也可以被固定在岩石中，又如，火山爆发释放出二氧化碳前，碳也可以通过板块构造运动深入地球内部。怪石嶙峋的岩石圈构成了碳循环的关键环节。一些科学家认为，碳循环的流畅运行和板块构造运动对维持地球生物圈的长期稳定至关重要。地球上的每一个有机体不仅通过食物链与其他生命建立了不可分割的联系，而且通过参与岩石圈、水圈、大气圈和生物圈的循环成为地球的组成部分。

就像地球与太空被大气层隔开那样，玻璃罐内持续循环的生态圈是一个封闭系统。从物理层面来说，这个系统确实是封闭的，但它所需的能量必须依赖来自外部的阳光。只要能稳定地接收到阳光，生物圈就能无限期地运行下去，就像水车可以在河水的驱动下一直转动一样。不过很显然，这个微缩版的生态系统不可能永远运行下去，因为它对外部的干扰非常敏感，任何破坏平衡的干扰都有可能导致其“崩溃”。如果玻璃罐整天都晒太阳，由于完全封闭的玻璃墙导致的温室效应，水温可能会升高过多，进而导致小虾死亡。而如果黑暗持续得太久，依靠光合作用生存的藻类就会死亡。

我们的星球也面临着完全相同的危险：一直增亮的太阳终会使海洋蒸发，地球表面的一切生命都将被阳光清除。此外，地层中的化石记录表明，曾有一段时间，太阳光被遍布全球的厚厚冰层挡住，导致地球上的光合作用长时间停滞。对于玻璃罐内的生态系统而言，如果藻类死亡，罐内氧气和食物的来源将不复存在，小虾会立即死亡。随着藻类和小虾的死亡，无数悬浮在水中或者附着在鹅卵石上的细菌也将时日无多。虽然高等生物体死亡后的复杂有机分子能使细菌在有限的时间内继续生长和分裂，但随着微缩版生态系统的崩溃，细菌这种后的生物也将被“饿死”。从化学的角度来说，整个系统中的可用能源将彻底耗尽，并衰竭成另一种稳定、毫无生命的平衡系统。随着细菌细胞复杂结构的分崩离析，曾经生机勃勃的动态生态系统将变为惰性的、由基础有机物组成的液态物质。从某种意义上来说，“生命”无非是一种能够自我维持的实体，复杂到足以利用现有能量来维持自身的复杂性，并终实现自我复制和繁衍。

微缩版的生态系统展现了类地行星的运转模式，也拥有含氧大气层、大面积的液态水海洋。不过，地球早期的运转模式与此截然不同。原始的、地狱般的地球是如何演变成我们现在称为家园的凉爽而又湿润的状态的呢？不同形式的地球生命都需要什么样的生存条件呢？我们应该看看那些生存在环境中的生命，比如生长于沸腾的酸溶液或者被冰层包裹的饱和盐水中的那些细胞。在微缩版的生态系统中，所有生命的命运都取决于捕捉光的藻类，在后面的章节中，我们还会探讨生活在黑暗的海洋深处的整个细菌部落，这些细菌以岩石为食，完全不需要太阳的能量。太阳系的某个适宜的地方是否也生存着类似的细胞呢？我们将会探访火星锈红色表面之下的地下含水层、金星大气的高处云层以及木卫二的冰封海洋，我们还将在太阳系可能存在生命的重点区域巡视考察。环绕在其他恒星周围的遥远世界是什么样的呢？天文学家正在以惊人的速度发现新的行星，那么哪些行星有可能是宜居的呢？什么是红矮星？光合生物能否在红矮星的暗淡星光下生存？细胞能暴露在外太空生存吗？生命能否在太阳系内的不同行星，甚至不同恒星系统之间传输，就像病毒传播一样在星系间蔓延呢？

新兴的天体生物学

天体生物学领域的研究范围极其广阔。它不仅研究地球上的有机体，也探究地球生命的起源，以及哪些过程和环境条件可能是生命所必需的；它不仅探寻太阳系和其他星系上可能存在的生命，还会通过科学实验来模拟生命起源前的化学过程，或者探索地球生命发展出来的特殊系统的替代物。此外，它还开展探测生命的实验和研发科学仪器，然后将它们搭载在穿越太阳系的空间探测器上。我本人主要研究火星生命均需耐受的辐射剂量。

天体生物学是一门交叉学科，所涵盖的知识领域在一定程度上很难被界定。这门学科的一些知识是预测性的，或是基于不完整的数据资料得出的，这是刚刚起步的学科所具有的共同特征。一些人批评天体生物学是一门目前尚未证实其研究对象的学科，因为迄今为止，我们还没有发现任何地外生命。这是不可否认的事实，但天体生物学的目标并不是寻找像尼斯湖水怪那样的神秘野兽。就像其他学科一样，虽然天体生物学的假设是推测性的，但我们可以通过开展科学实验，借助实验数据分析和改进实验设计，来逐步完善相关理论。

天体生物学的形成并不是为了解释某个特定的科学发现，就像微生物学科的兴起不是为了解释人类台显微镜所看到的现象一样。天体生物学是基于其他成熟的学科逐渐发展起来的，它虽然没有开始形成的确切时间，但在过去50 年间已聚集力量，并逐渐被接受。因为生物学和空间探索的发现表明，地外生命可能真的存在。

我将从根本的问题开始我的故事：生命究竟是什么？

生命的本质是什么？

地球生命是如何进化的？

地球生命的出现是否纯属机缘巧合？

除地球以外，太阳系或银河系其他地方是否具有满足生命存在的条件？

在《人人都该懂的地外生命》中，刘易斯·达特奈尔将带领读者回顾40多亿年的地球生命进化史，并探索太阳系中很有可能存在生命的区域。

《人人都该懂的地外生命》属于湛庐文化重磅推出的“新核心素养”系列图书之一。本系列图书致力于推广通识阅读，扩展读者的阅读面，培养批判性思考的能力。其中涵盖了哲学、心理学、法律、艺术、物理学、生物科技等诸多人文科学和自然科学的知识，其中《人人都该懂的地外生命》涵盖了天体生物学的发展脉络、关键研究和前沿新知，让你一本书了解地外生命的“前世今生”。

刘易斯·达特奈尔（Lewis Dartnell）

伦敦大学学院太空生物学家，屡获殊荣的科普作家。1980年生于英国伦敦，毕业于牛津大学生物学系，后在伦敦大学学院获得天体生物学博士学位，主要从事天体生物学和火星微生物的研究。在科研工作以外，他出版过多部畅销科普作品，还经常为《卫报》《泰晤士报》等报刊撰写科普文章，也主持过英国广播公司的多档科普节目。    

引言 从地球生命到地外生命

微缩版地球生态系统

新兴的天体生物学

01 生命究竟是什么

我们需要对生命进行精确定义

生命需要传递遗传指令

生命必须从外界汲取能量

通过基因序列为生命绘制“家谱”

物质如何相互激发并形成生命

精妙的遗传指令传递

能量汲取的真相

为什么说地外生命与地球生命存在相似性

02．环境中的生命

影响细胞功能的三个重要因素

地球上的“外星”世界

泛种论

03  一个适宜生命居住的宇宙如何形成

生命诞生之初

宇宙烹调

一个宜居的世界如何形成

地球上的碳循环

失控的温室效应与冰川

大小适宜的行星

月 球

守护星——木星

银河宜居带

外太空杀手

04  地球与地球生命的起源

恒星及其行星的诞生历程

月球引发的地球潮汐涌动

大撞击带给地球的礼物

姗姗来迟的生命

相互独立的前生命系统

生命起源是“先有鸡还是先有蛋”

批细胞生命

地球上早的生命在哪里生存

光合作用与氧气革命

真核生物和多细胞生物的出现

寒武纪生命大爆发

05  有可能发现地外生命的火星

火星上有没有液态水

液态水存在的直接证据

火星生命的进化过程

大气层丢失引发的环境崩溃

环境中有无幸存者

06  太阳系中其他可能有生命的星球

完全不适合生命居住的金星

游荡在太阳系宜居带之外的卫星

木卫二

土卫六

07  太阳系外可能有生命的行星

太阳系的邻居：类太阳恒星

耐人寻味的红矮星

捕猎行星的两种方法

热木星

下一代行星搜索望远镜的使命

远方行星的光芒

没有一种生命是一座孤岛

生命存在的标志

系外行星的面貌

08  复杂地外生命畅想

类地行星上的生命如何进化

结语 寻找地外生命，我们才刚刚启程

术语表

生命的本质是什么？

地球生命是如何进化的？

地球生命的出现是否纯属机缘巧合？

除地球以外，太阳系或银河系其他地方是否具有满足生命存在的条件？

在《人人都该懂的地外生命》中，刘易斯·达特奈尔将带领读者回顾40多亿年的地球生命进化史，并探索太阳系中很有可能存在生命的区域。

《人人都该懂的地外生命》属于湛庐文化重磅推出的“新核心素养”系列图书之一。本系列图书致力于推广通识阅读，扩展读者的阅读面，培养批判性思考的能力。其中涵盖了哲学、心理学、法律、艺术、物理学、生物科技等诸多人文科学和自然科学的知识，其中《人人都该懂的地外生命》涵盖了天体生物学的发展脉络、关键研究和前沿新知，让你一本书了解地外生命的“前世今生”。

刘易斯·达特奈尔（Lewis Dartnell）

伦敦大学学院太空生物学家，屡获殊荣的科普作家。1980年生于英国伦敦，毕业于牛津大学生物学系，后在伦敦大学学院获得天体生物学博士学位，主要从事天体生物学和火星微生物的研究。在科研工作以外，他出版过多部畅销科普作品，还经常为《卫报》《泰晤士报》等报刊撰写科普文章，也主持过英国广播公司的多档科普节目。    

引言 从地球生命到地外生命

微缩版地球生态系统

在写《人人都该懂的地外生命》这本书时，我偶尔会抬头看看那个放在我桌上的“世界”。我指的并不是贴在墙上的卫星照片，也不是放在书架上的地球仪，而是一个拥有生命气息、欣欣向荣的系统，被密封在一个不超过15 厘米宽的玻璃罐内，它就是微缩版的地球生态系统。这个生态系统完全与外界隔绝，自给自足，自我调节，且可以永续存在。它的设计理念非常简单，地球的4 个主要组成部分，即岩石圈、水圈、大气圈和生物圈（岩石、水、空气和生命），在玻璃罐内都有呈现。所谓陆地就是玻璃罐底部的一把鹅卵石；所谓海洋就是罐子底部几厘米深的水面；所谓大气就是水面上方的空气。在温暖的日子里，水从水面蒸发，并凝结在玻璃罐顶部，再流回底部，完成水的循环。一群小虾、附在鹅卵石上或漂浮在水面上的绿藻和看不见的细菌分别代表动物、植物和细菌等生命形式，它们通通容纳在这个小小的世界中。除此之外，别无他物。生命必需的所有物质都在这个系统中不断循环。这个微缩版世界中的居民相互依赖，共生共荣。藻类是这一切繁荣的基础，是生命存在的决定性因素，因为它们利用太阳光制造了氧气和富含营养的糖类，这是虾和一些细菌生存所必需的。整个系统由光驱动，也就是由来自1.5 亿千米之外的太阳内部的核聚变反应释放的能量来驱动。

除了观赏价值外，这个脆弱的小小世界还完美地诠释了对地球生命至关重要的许多核心因素。而且通过分析这些因素，我们可以推断出其他星球上存在有机体的可能性。关于人类起源的问题有：生命的进化经历了什么样的过程？哪些条件或原料是生命所必需的？哪些地方可能满足这些先决条件？这些问题正在形成一门新的学科——天体生物学。它是多学科研究中热门的领域之一，主要研究恒星系统中的生命，融合了生物学、化学、天体物理学和地质学等学科。这种关于宇宙中生命的起源、进化、分布以及未来的多学科研究，有时也被称为宇宙生物学、外层空间生物学或者生物天文学。作为天体生物学的入门教材，《人人都该懂的地外生命》将会告诉我们该领域激动人心的想法、的科学发现，以及有待解决的问题。在介绍这些重要思想时，我不时会回头看看桌上的那个小小世界——微缩版的生态系统。

在这个微缩版的生态系统中，有些东西具有生命。小虾活跃地游来游去，它们会吃掉藻类，然后成长发育，有时也会繁殖后代。如果我们将外部世界的生物放进这个玻璃罐内，水中的氧气浓度将会降低，而二氧化碳的含量将升高。如果太长时间缺乏氧气或营养物质，小虾将不再游动，甚至死亡。搁在玻璃罐底部的鹅卵石显然是没有生命的，它们不会动，不会对环境做出响应，也不会生长或者繁殖，只要水中的化学物质含量不变，它们就是完全惰性的。从这个角度，我们可以得出“小虾具有生命，而鹅卵石没有生命”的结论。这种识别方法很简单。但是，如果我们将机器人探测器发送到另一个陌生的世界去寻找生命，它需要观测哪些东西呢？我们如何才能知道应该去寻找何种生命迹象？哪些化学过程可能会揭示生命的活动？我们如何能确定，数十亿年来一直遵循着自己的进化过程、完全与地球隔绝的生命会跟地球生命一样呢？如果我们降落在其他星球上，应该如何识别生命？我们凭什么认为，地外生命也是碳基的，离不开水，而不是由与地球上完全不同的分子经过不同的生物化学反应构建起来的？这些问题的关键在于：生命究竟是什么？

微缩版的生态系统也展示了两种完全不同的生命类型。一些生物是自给自足型的，它们从环境中摄取原料和能量，维持自身的生长；另一些生物则需要消耗其他生物。藻类利用太阳光的能量，通过光合作用进行复杂的生物化学反应，实现生存和繁殖，因此，藻类是自给自足型的。而小虾和细菌则完全依赖于藻类提供的营养物质。地球生命起源的未知之谜是，地球历史上的个细胞是依靠消耗已经存在的有机分子为生，还是完全自给自足的。除了光合作用，地外生命还有可能利用哪些能源呢？难道光合作用是生命汲取能量普遍的方式？光合作用释放的氧气在地球大气层中达到了较高含量，因此，我们可以通过检测氧气含量来证明遥远的行星上是否存在生命，因为我们现在已经能够在光年以外的距离上检测氧气的信号。释放氧气的光合作用的形成是地球历深刻的变化之一。

我桌上的这个微缩版的生态系统是完全密封的，生命所需的所有原料都必须在系统内循环。小虾和藻类产生废产品——二氧化碳，而二氧化碳是藻类进行光合作用的原料。不过，我们肉眼看不到玻璃罐内的这种碳循环过程。小虾释放出的二氧化碳以气体的形式储存在大气中，之后会溶解到水中，由藻类通过光合作用吸收并合成有机物质，这些有机物质被用来构建藻类的细胞，而藻类会被小虾吃掉，小虾再释放出二氧化碳，实现生命物质的循环。这个小小的密闭生态圈反映了碳在真实的水圈、大气圈和生物圈中的循环过程。不过，微缩版的生态系统无法展示地球生态系统的其他重要方面，比如碳也可以被固定在岩石中，又如，火山爆发释放出二氧化碳前，碳也可以通过板块构造运动深入地球内部。怪石嶙峋的岩石圈构成了碳循环的关键环节。一些科学家认为，碳循环的流畅运行和板块构造运动对维持地球生物圈的长期稳定至关重要。地球上的每一个有机体不仅通过食物链与其他生命建立了不可分割的联系，而且通过参与岩石圈、水圈、大气圈和生物圈的循环成为地球的组成部分。

就像地球与太空被大气层隔开那样，玻璃罐内持续循环的生态圈是一个封闭系统。从物理层面来说，这个系统确实是封闭的，但它所需的能量必须依赖来自外部的阳光。只要能稳定地接收到阳光，生物圈就能无限期地运行下去，就像水车可以在河水的驱动下一直转动一样。不过很显然，这个微缩版的生态系统不可能永远运行下去，因为它对外部的干扰非常敏感，任何破坏平衡的干扰都有可能导致其“崩溃”。如果玻璃罐整天都晒太阳，由于完全封闭的玻璃墙导致的温室效应，水温可能会升高过多，进而导致小虾死亡。而如果黑暗持续得太久，依靠光合作用生存的藻类就会死亡。

我们的星球也面临着完全相同的危险：一直增亮的太阳终会使海洋蒸发，地球表面的一切生命都将被阳光清除。此外，地层中的化石记录表明，曾有一段时间，太阳光被遍布全球的厚厚冰层挡住，导致地球上的光合作用长时间停滞。对于玻璃罐内的生态系统而言，如果藻类死亡，罐内氧气和食物的来源将不复存在，小虾会立即死亡。随着藻类和小虾的死亡，无数悬浮在水中或者附着在鹅卵石上的细菌也将时日无多。虽然高等生物体死亡后的复杂有机分子能使细菌在有限的时间内继续生长和分裂，但随着微缩版生态系统的崩溃，细菌这种后的生物也将被“饿死”。从化学的角度来说，整个系统中的可用能源将彻底耗尽，并衰竭成另一种稳定、毫无生命的平衡系统。随着细菌细胞复杂结构的分崩离析，曾经生机勃勃的动态生态系统将变为惰性的、由基础有机物组成的液态物质。从某种意义上来说，“生命”无非是一种能够自我维持的实体，复杂到足以利用现有能量来维持自身的复杂性，并终实现自我复制和繁衍。

微缩版的生态系统展现了类地行星的运转模式，也拥有含氧大气层、大面积的液态水海洋。不过，