人類在宇宙中是孤獨的嗎？地球以外的天體中是否存在生命甚至是智慧生命呢？數千年以來，從哲學家到科學家，無數人都在探求這些問題的答案。隨著人類認識宇宙視野的不斷擴大，20世紀90年代，一門叫作“天體生物學”的學科應運而生。那么，天體生物學是什么？

美國華盛頓大學地球與空間科學系教授戴維·C.卡特林在 《天體生物學》 這部作品里對天體生物學進行了深入淺出的介紹。卡特林長期從事天體生物學研究，研究內容涵蓋生命起源、行星宜居性和地外生命搜尋等多個領域，還曾參與美國國家航空航天局的“鳳凰號”“毅力號”等多項火星探測任務。他在書中不僅介紹了天體生物學的基礎知識，還結合自身的研究，帶領讀者從地球生命起源出發，在太陽系內外進行了一場圍繞生命搜尋的探索之旅。

名字背后的故事

“天體生物學究竟是什么？！”一名美國特勤局特工向無線電對講機那頭喊道。他剛剛在舊金山附近的美國國家航空航天局（NASA）埃姆斯研究中心檢查了一位訪問學者的身份。來訪者對他說自己正在參加NASA組織的第一次天體生物學科學會議。埃姆斯研究中心有一座簡易機場，可為“空軍一號”提供安全的著陸點。正是在這條飛機跑道上，2000年4月，比爾·克林頓總統帶著他的特勤局隨行人員飛抵舊金山灣區。

這名特工會提出這樣的問題也算正常，畢竟直到20世紀90年代末，學界才對天體生物學的含義達成科學共識——應該很少有外行人或者特勤局特工聽說過這個術語。彼時，NASA開始推進一個由埃姆斯研究中心領導的天體生物學研究項目，而我正是該研究中心的一名空間科學家。一開始，我的一些同事并不喜歡“恒星的生物學”這一希臘語字面義。有人嘲笑說，生命是不可能存在于地獄般的恒星之中的。相對來說，一個不那么令人掃興的解釋是，“天體生物學”（astrobiology）中的“天體”（astro）涉及的是恒星（包括太陽）周圍的生命，或者簡單來說，太空中的生命。事實上，很多天體生物學家既關心地球上生命的歷史，也關心其他天體環境中的生命。天體生物學家們一致認為，我們應該首先對地球上的生命是如何演化的有一個明確的認識和了解，以便進一步思考地外空間生命存在與否的問題。然而，現代科學的一個驚人現狀是：迄今為止，它甚至無法完全回答一個孩子可能會問的生物學問題！地球上的生命是如何起源的？我們對此有一些認識，但是其中的諸多細節仍然是未知的。地球與太陽系的哪些特性使得我們的星球適合生命發展？同樣地，我們有一些觀點，但仍然不了解很多方面。那么又是什么驅動生命向復雜的有機體演化，而不是僅僅保持簡單的形式呢？我們仍然不清楚。

為了填補這些人類認知的空白，天體生物學作為研究地球上生命的起源與演化，以及其他天體環境中可能存在的各種生命形式的科學分支應運而生。這是我自己更喜歡的一個定義。NASA則把天體生物學定義為：對宇宙中生命的起源、演化、分布和未來的研究。另一個常見的釋義是：對宇宙中生命的研究，或者對宇宙環境中生命的研究。在這一范疇下，天體生物學家既探討“地球生命的過去與未來是怎樣的”，也探索“地球之外是否也有生命存在”。

20世紀90年代末，天體生物學作為一個學科誕生，與此同時，四項重大科學進展也橫空出世。1996年，科學家在一塊火星隕石中發現了頗具爭議的古代火星生命跡象。這塊重1.9千克的石頭由于小行星撞擊而被炸離火星表面，最終落在地球的南極地區。無論該研究對隕石中存在微體生物化石的解讀（詳見本書第六章）是否正確，這項發現都引發了人們對于地外生命的思考。此外，在過去的二十年里，生物學家證實，一些微生物能在比傳統認為的更廣泛的環境條件下存活，它們甚至能夠在極端的溫度、酸度、壓力或者鹽度條件下茁壯成長。因此，我們開始考慮在看似極端嚴峻的地外環境條件下存在微生物的可能性。第三個發現來自1996年NASA的“伽利略號”探測器所拍攝的被冰覆蓋的木衛二的表面圖像。這些圖像揭示了在木衛二冰面上一些冰塊曾彼此漸行漸遠，說明在冰層下可能存在海洋。第四項是，自20世紀90年代中期以來，天文學家陸續觀察到越來越多圍繞其他恒星運動的系外行星。上述這些發現表明，生命可能定居在這些遙遠的系外行星上，抑或潛藏于如我們宇宙后花園般的太陽系內的其他星球上。我們不禁懷疑：在宇宙中生命是不是普遍存在？

▲“伽利略號”拍攝的木衛二圖像

思想史上的天體生物學

盡管天體生物學的概念在20世紀90年代才問世，關于我們在宇宙中是否孤獨的思考卻可以追溯到幾千年以前。約公元前600年，西方哲學之父泰勒斯已經開始贊同生命的多世界論的觀點。后來，希臘原子論學派（認為物質是由不可再分的原子構成的）的擁躉，從留基伯到德謨克里特和伊壁鳩魯，也支持這種“多元主義”。約公元前400年，德謨克里特的追隨者邁特羅多魯斯曾寫道：“在一望無垠的宇宙中只有一個擁有生命的世界，好比在一片遼闊的原野上只有一株小麥——多么反常而不自然啊！”不過，將古代哲學家的多元主義直接等同于現代設想的火星或者系外行星上存在生命可能并不正確。邁特羅多魯斯全然不知天上的星星只不過是極遠的類似于太陽的物體，而認為它們是由地球大氣層中的水汽造成的日常現象。原子論學者們想象中的生命世界存在于一個抽象空間中，與現代的平行宇宙觀點很類似。與這些相反，柏拉圖（公元前427—前347）和亞里士多德（公元前384—前322）認為地球是唯一有生命的天體且居于宇宙中心，這一觀點最終還是占了上風并盛行了一千多年。

▲邁特羅多魯斯

文藝復興時期，天文學家們終于證明了地球是圍繞太陽運行的。而隨著人們逐漸認識到地球也不過是太陽系諸多行星中的一員，很快就出現了對其他行星上存在地外生命的猜測。例如，德國天文學家約翰尼斯·開普勒（1571—1630，提出行星運動三定律）欣然提出其他星球上可能存在生命的觀點。隨后，在17世紀末，丹麥天文學家克里斯蒂安·惠更斯（1629—1695）在他的著作《被發現的天上的世界》（1968）中想象太陽系之外的生命：“那無數恒星周圍環繞著的所有行星啊——它們一定也有自己的植物和動物，不僅如此，還會有智慧生物！”彼時，地外生命論一度非常流行，以至于哲學家伊曼努爾·康德（1724—1804）在1755年寫過聰慧的木星人和多情的金星人。

與之相對立的是，一些學者囿于宗教認識，仍然堅持認為地球是獨一無二的。一個例子就是劍橋大學的威廉·休厄爾（1794—1866），他在《論世界的多樣性》一書中反對其他行星上有生命的觀點。從某種程度上來說，這是現代“稀有地球”假說的先驅。我們將在第八章討論這一假說。

到了19世紀末，地球外是否有生命的問題已經被視為一個純粹的科學問題，但科學研究很快走進了死胡同。喬范尼·夏帕雷利（1835—1910）和帕西瓦爾·羅威爾（1855—1916）通過天文望遠鏡觀測了火星表面，這大大激發了人們對火星上可能存在智慧生命的興趣。遺憾的是，羅威爾所看到的火星運河，只不過是由于心理因素將模糊圖像中的小點連起來而造成的錯覺，而他關于火星文明的想法也都僅僅是幻想。隨著天文學家更多地開始使用諸如行星光譜分析等更精細的觀測技術，大家越來越清晰地認識到，太陽系中許多行星上的物理條件可能并不利于生命存活。局勢開始不可避免地向相反的方向發展——到20世紀中葉幾乎沒有天文學家對行星感興趣了。這一舊時的好奇心直到太空時代到來才被重新點燃。

▲帕西瓦爾·羅威爾繪制的“火星運河”地圖并提出火星上可能存在生命

盡管天體生物學研究的基本問題有悠久的歷史，但是“天體生物學”這一專業術語一直都是偶爾現身，直到20世紀90年代才開始變得常見。1941年，紐約市立大學布魯克林學院的哲學家勞倫斯·拉弗勒的一篇題為《天體生物學》的短文對該詞的解釋比現代的詮釋狹隘一些，僅僅考慮了地球之外的生命。1955年，加利福尼亞大學伯克利分校的天文學家奧托·斯特魯維也將“天體生物學”描述為對地外生命的搜尋。而俄羅斯天體物理學家加夫里爾·季科夫（1875—1960）和德國天文學家約阿希姆·赫爾曼則分別于1953年和1974年出版了名為《天體生物學》的書，涵蓋了當時關于地外生命的流行觀點。

現代意義上的“天體生物學”一詞是由韋斯利·亨特里斯于1995年在位于華盛頓特區的NASA總部首次使用的。當時，NASA的科學家們認為，對生命進行從微生物到宇宙尺度的研究是理解宇宙中生命的必由之路。亨特里斯出于這一愿景而喜歡上天體生物學一詞，并最終敲定這一術語。

實際上，天體生物學確實是太空生物學的重塑與擴展，而太空生物學研究可以追溯到幾十年前。1960年，喬舒亞·萊德伯格（1925—2008）首次使用了這個詞，指“地球之外生命的演化”。萊德伯格——因在細菌遺傳學方面的發現而榮獲諾貝爾獎——認為尋找生命是太空探索必不可少的一部分。隨后，從20世紀60年代開始，NASA遵循了萊德伯格的建議，為太空生物學研究提供資金支持。但是，批評太空生物學的聲音也隨之而出現。例如，1964年，哈佛大學的生物學家喬治·蓋洛德·辛普森曾譏諷道：“這門所謂的‘科學’甚至尚未證實其研究對象是存在的！”

現代的天體生物學則無須擔憂如何回應辛普森的指責了，因為它的核心內容涵蓋了對地球上生命的起源與演化的研究。天體生物學同樣強調作為生命存在環境的行星的起源與演化，因此相比于太空生物學，天體生物學更加明確地涉及了天文學家們的研究。

太空生物學并不是唯一一個與天體生物學相近的術語。自1982年開始，天文學家已經正式使用生命天文學這一術語，指天文學研究中涉及地外生命搜尋的部分。更早些時候，德斯蒙德·J.貝爾納（1901—1971，著名愛爾蘭裔英國物理化學家）曾青睞宇宙生物學。不過，它們都未曾被廣泛使用。

（本文摘編自《天體生物學》，配圖、標題為編者所加）

書名：天體生物學

?♂? 作者：[英]戴維·C.卡特林 翻譯：郝記華 張晟霖

內容簡介

地球上的生命是如何起源的？生命是地球獨有的嗎？我們應該怎樣尋找地外生命？它們都是天體生物學的核心問題。這是一門令人興奮的新學科，融合了微生物學、地質學、天文學等的研究成果。本書分析生命在地球上產生與延續的因素，介紹在探索其他星球宜居性時發現的跡象，從而為我們尋找外星生命提供線索。