牛津通识读本：天体生物学

地球上的生命是如何起源的？生命是地球独有的吗？我们应该怎样寻找地外生命？它们都是天体生物学的核心问题。这是一门令人兴奋的新学科，融合了微生物学、地质学、天文学等的研究成果。本书分析生命在地球上产生与延续的因素，介绍在探索其他星球宜居性时发现的迹象，从而为我们寻找外星生命提供线索。

戴维·C.卡特林 华盛顿大学西雅图分校地球与空间科学系教授。1994年自牛津大学获得博士学位；1995—2001年于NASA埃姆斯研究中心任研究学者、研究科学家。研究领域包括：生命起源、行星与卫星的宜居性，以及地外生命探寻。因“对数十亿年间地球生物群与大气的协同演化规律提出创新性见解”当选美国地球物理联合会会士。此外，还参与了多项火星探测任务，包括NASA“凤凰号”火星着陆器、“毅力号”火星探测车等的研究工作。

名字背后的故事 “天体生物学究竟是什么？！”一名美国特勤局特工向无线电对讲机那头喊道。他刚刚在旧金山附近的美国国家航空航天局（NASA）埃姆斯研究中心检查了一位访问学者的身份。来访者对他说自己正在参加NASA组织的第一次天体生物学科学会议。埃姆斯研究中心有一座简易机场，可为“空军一号”提供安全的着陆点。正是在这条飞机跑道上，2000年4月，比尔·克林顿总统带着他的特勤局随行人员飞抵旧金山湾区。 这名特工会提出这样的问题也算正常，毕竟直到20世纪90年代末，学界才对天体生物学的含义达成科学共识——应该很少有外行人或者特勤局特工听说过这个术语。彼时，NASA开始推进一个由埃姆斯研究中心领导的天体生物学研究项目，而我正是该研究中心的一名空间科学家。一开始，我的一些同事并不喜欢“恒星的生物学”这一希腊语字面义。有人嘲笑说，生命是不可能存在于地狱般的恒星之中的。相对来说，一个不那么令人扫兴的解释是，“天体生物学”（astrobiology）中的“天体”（astro）涉及的是恒星（包括太阳）周围的生命，或者简单来说，太空中的生命。事实上，很多天体生物学家既关心地球上生命的历史，也关心其他天体环境中的生命。天体生物学家们一致认为，我们应该首先对地球上的生命是如何演化的有一个明确的认识和了解，以便进一步思考地外空间生命存在与否的问题。然而，现代科学的一个惊人现状是：迄今为止，它甚至无法完全回答一个孩子可能会问的生物学问题！地球上的生命是如何起源的？我们对此有一些认识，但是其中的诸多细节仍然是未知的。地球与太阳系的哪些特性使得我们的星球适合生命发展？同样地，我们有一些观点，但仍然不了解很多方面。那么又是什么驱动生命向复杂的有机体演化，而不是仅仅保持简单的形式呢？我们仍然不清楚。 为了填补这些人类认知的空白，天体生物学作为研究地球上生命的起源与演化，以及其他天体环境中可能存在的各种生命形式的科学分支应运而生。这是我自己更喜欢的一个定义。NASA则把天体生物学定义为：对宇宙中生命的起源、演化、分布和未来的研究。另一个常见的释义是：对宇宙中生命的研究，或者对宇宙环境中生命的研究。在这一范畴下，天体生物学家既探讨“地球生命的过去与未来是怎样的”，也探索“地球之外是否也有生命存在”。 20世纪90年代末，天体生物学作为一个学科诞生，与此同时，四项重大科学进展也横空出世。1996年，科学家在一块火星陨石中发现了颇具争议的古代火星生命迹象。这块重1.9千克的石头由于小行星撞击而被炸离火星表面，最终落在地球的南极地区。无论该研究对陨石中存在微体生物化石的解读（详见第六章）是否正确，这项发现都引发了人们对于地外生命的思考。此外，在过去的二十年里，生物学家证实，一些微生物能在比传统认为的更广泛的环境条件下存活，它们甚至能够在极端的温度、酸度、压力或者盐度条件下茁壮成长。因此，我们开始考虑在看似极端严峻的地外环境条件下存在微生物的可能性。第三个发现来自1996年NASA的“伽利略号”探测器所拍摄的被冰覆盖的木卫二的表面图像。这些图像揭示了在木卫二冰面上一些冰块曾彼此渐行渐远，说明在冰层下可能存在海洋。第四项是，自20世纪90年代中期以来，天文学家陆续观察到越来越多围绕其他恒星运动的系外行星。上述这些发现表明，生命可能定居在这些遥远的系外行星上，抑或潜藏于如我们宇宙后花园般的太阳系内的其他星球上。我们不禁怀疑：在宇宙中生命是不是普遍存在？ 思想史上的天体生物学 尽管天体生物学的概念在20世纪90年代才问世，关于我们在宇宙中是否孤独的思考却可以追溯到几千年以前。约公元前600年，西方哲学之父泰勒斯已经开始赞同生命的多世界论的观点。后来，希腊原子论学派（认为物质是由不可再分的原子构成的）的拥趸，从留基伯到德谟克里特和伊壁鸠鲁，也支持这种“多元主义”。约公元前400年，德谟克里特的追随者迈特罗多鲁斯曾写道：“在一望无垠的宇宙中只有一个拥有生命的世界，好比在一片辽阔的原野上只有一株小麦——多么反常而不自然啊！”不过，将古代哲学家的多元主义直接等同于现代设想的火星或者系外行星上存在生命可能并不正确。迈特罗多鲁斯全然不知天上的星星只不过是极远的类似于太阳的物体，而认为它们是由地球大气层中的水汽造成的日常现象。原子论学者们想象中的生命世界存在于一个抽象空间中，与现代的平行宇宙观点很类似。与这些相反，柏拉图（公元前427—前347）和亚里士多德（公元前384—前322）认为地球是唯一有生命的天体且居于宇宙中心，这一观点最终还是占了上风并盛行了一千多年。 文艺复兴时期，天文学家们终于证明了地球是围绕太阳运行的。而随着人们逐渐认识到地球也不过是太阳系诸多行星中的一员，很快就出现了对其他行星上存在地外生命的猜测。例如，德国天文学家约翰尼斯·开普勒（1571—1630，提出行星运动三定律）欣然提出其他星球上可能存在生命的观点。随后，在17世纪末，丹麦天文学家克里斯蒂安·惠更斯（1629—1695）在他的著作《被发现的天上的世界》（1968）中想象太阳系之外的生命：“那无数恒星周围环绕着的所有行星啊——它们一定也有自己的植物和动物，不仅如此，还会有智慧生物！”彼时，地外生命论一度非常流行，以至于哲学家伊曼努尔·康德（1724—1804）在1755年写过聪慧的木星人和多情的金星人。 与之相对立的是，一些学者囿于宗教认识，仍然坚持认为地球是独一无二的。一个例子就是剑桥大学的威廉·休厄尔（1794—1866），他在《论世界的多样性》一书中反对其他行星上有生命的观点。从某种程度上来说，这是现代“稀有地球”假说的先驱。我们将在第八章讨论这一假说。 到了19世纪末，地球外是否有生命的问题已经被视为一个纯粹的科学问题，但科学研究很快走进了死胡同。乔范尼·夏帕雷利（1835—1910）和帕西瓦尔·罗威尔（1855—1916）通过天文望远镜观测了火星表面，这大大激发了人们对火星上可能存在智慧生命的兴趣。遗憾的是，罗威尔所看到的火星运河，只不过是由于心理因素将模糊图像中的小点连起来而造成的错觉，而他关于火星文明的想法也都仅仅是幻想。随着天文学家更多地开始使用诸如行星光谱分析等更精细的观测技术，大家越来越清晰地认识到，太阳系中许多行星上的物理条件可能并不利于生命存活。局势开始不可避免地向相反的方向发展—到20世纪中叶几乎没有天文学家对行星感兴趣了。这一旧时的好奇心直到太空时代到来才被重新点燃。 尽管天体生物学研究的基本问题有悠久的历史，但是“天体生物学”这一专业术语一直都是偶尔现身，直到20世纪90年代才开始变得常见。1941年，纽约市立大学布鲁克林学院的哲学家劳伦斯·拉弗勒的一篇题为《天体生物学》的短文对该词的解释比现代的诠释狭隘一些，仅仅考虑了地球之外的生命。1955年，加利福尼亚大学伯克利分校的天文学家奥托·斯特鲁维也将“天体生物学”描述为对地外生命的搜寻。而俄罗斯天体物理学家加夫里尔·季科夫（1875—1960）和德国天文学家约阿希姆·赫尔曼则分别于1953年和1974年出版了名为《天体生物学》的书，涵盖了当时关于地外生命的流行观点。 现代意义上的“天体生物学”一词是由韦斯利·亨特里斯于1995年在位于华盛顿特区的NASA总部首次使用的。当时，NASA的科学家们认为，对生命进行从微生物到宇宙尺度的研究是理解宇宙中生命的必由之路。亨特里斯出于这一愿景而喜欢上天体生物学一词，并最终敲定这一术语。 实际上，天体生物学确实是太空生物学的重塑与扩展，而太空生物学研究可以追溯到几十年前。1960年，乔舒亚·莱德伯格（1925—2008）首次使用了这个词，指“地球之外生命的演化”。莱德伯格——因在细菌遗传学方面的发现而荣获诺贝尔奖——认为寻找生命是太空探索必不可少的一部分。随后，从20世纪60年代开始，NASA遵循了莱德伯格的建议，为太空生物学研究提供资金支持。但是，批评太空生物学的声音也随之而出现。例如，1964年，哈佛大学的生物学家乔治·盖洛德·辛普森曾讥讽道：“这门所谓的‘科学’甚至尚未证实其研究对象是存在的！” 现代的天体生物学则无须担忧如何回应辛普森的指责了，因为它的核心内容涵盖了对地球上生命的起源与演化的研究。天体生物学同样强调作为生命存在环境的行星的起源与演化，因此相比于太空生物学，天体生物学更加明确地涉及了天文学家们的研究。 太空生物学并不是唯一一个与天体生物学相近的术语。自1982年开始，天文学家已经正式使用生命天文学这一术语，指天文学研究中涉及地外生命搜寻的部分。更早些时候，德斯蒙德·J.贝尔纳（1901—1971，著名爱尔兰裔英国物理化学家）曾青睐宇宙生物学。不过，它们都未曾被广泛使用。

第一章 什么是天体生物学？ 第二章 从星尘到行星，生命之所栖 第三章 生命和宜居环境的起源 第四章 从史莱姆到史莱克 第五章 生命：基因组的延续和适应之道 第六章 太阳系里的生命 第七章 偏僻的世界，遥远的恒星 第八章 争议与展望 索引 英文原文