我們對生命了解的進展

在過去的20年里，很多學科上取得的進展已經幫助我們更好地了解了自然以及地球上生命的進化。這些科學進展也已經幫助我們為太空生物學奠定了良好的基礎，也為探索太陽系中以及太陽系以外生命的存在創造了新的可能性。

對生命的新探索

1987年，伊利諾伊大學的卡爾·沃斯公開發表了第一份通用的生物演化譜系圖解。這份通用的生物演化譜系圖解是基于基因序列比較繪制而成，從生物演化譜系圖解可以看出：存在3大域——古細菌、細菌以及真核。這3個域由許多界組成，幾乎所有的界都有微生物。這與將生物界分成5個界(動物界、植物界、菌類界、原生生物界以及原核生物界，在這5個界中，多細胞植物界和動物界最重要)的觀點相反。

也許我們從這個通用的生物演化譜系圖解中已經認可的最基本的情況之一，就是我們生活在一個充滿微生物的行星上。生物界歷史的前85％幾乎全被微觀生物所占。

尋找古生物學痕跡

在查爾斯·達爾文時代，人們對微生物生命在生物界進化歷史中的重要性認識有限。已知最古老的化石是距今5.4億年前在寒武紀末期出現的硬殼無脊椎動物。大約在1850年，達爾文的《物種起源》問世；與此同時人們首次描述了疊層沙(古代微生物群落生成的泥沙)的結構。

在地球歷史上，寒武紀之前的這段時間(稱為前寒武紀)被認為是缺少化石與生命證據的時期。但是在1993年，加利福尼亞州立大學洛杉磯分校的J，威廉·舍普夫報道：在澳大利亞西部，從含疊層沙的地層中發現了大約35億年前的細菌微生物化石。然后在1996年，科羅拉多州大學的史蒂文斯·莫伊西斯對格陵蘭出土的39億年前古老巖石中可能存在的生物的化學特征進行了描述。這兩項就是目前地球上最古老生命的紀錄保持者。

在前寒武紀古生物學方面取得的這些進展，已經將地球上的生命記錄向后推到了地球上第一個適合生存的自然環境出現時間的5億年之內。這說明：一旦為生命之源所需的條件成熟，生命就會很快出現。盡管我們還不能確切地知道能有多快，但是從地質年代表上可以確定的是，它比從前所認為的短得多。

初期生命受到的撞擊影響

在44億年之前，地球上的地面條件對于生命的起源是不利的。頻繁出現的小行星撞擊將許許多多的熔融巖石灑遍地球的表面。容易蒸發的化合物(如水)與對生物非常重要的元素(如碳、氫、氧、氮、硫以及磷)通過易揮發逸出與磨蝕的綜合作用消失于空中。

大約40億年以前，撞擊的次數逐漸減少，撞擊的激烈程度也逐漸減弱，地球可以保持由彗星及其他冰冷物體輸送來的水與有機物。一個穩定的大氣圈與海洋發展起來了，為生命提供了第一個適宜的生長環境。但是，模型研究也表明：一直到38億年以前，正在出現的生物界也許已經歷了一次或多次巨大的撞擊。這些撞擊已經能夠將海洋里的水蒸發掉，將地面環境里的細菌全部殺死。

這個通用的生物演化譜系圖解最深的分支——估計距生命的共同祖先最近的那些分支——都有一個共同有趣的特性：偏愛很高的溫度。對于一些科學家而言，這意味著生命或許已經在高溫(也許在深海熱液噴口附近)下已經開始了。對于其他的人(包括我自己)而言，與其說我們似乎看不到生命起源的環境，還不如說是看不到上次巨大撞擊以后盛行的環境了。這些形式可以簡單地成為生物體的后裔，而這些后裔通過隱匿在熱水環境中生存下來。

地下生物界

1979年，海洋學家羅伯特·巴拉爾與生物學家J_弗雷德里克·格拉斯勒駕駛深水潛艇“伊利斯”號下潛到海底。他們的任務是詳細勘察火山口及其相關動物區系的情況。在這些部位，科學家首次看到了全部依賴化學物質生存的生態系統。

隨著這次探險的繼續，在幾乎每個大洋盆地中都發現了復雜的熱液口生物群落，證明這些生物體即使遷徙到分布范圍最廣的自然環境，它們也有出色的生存能力。如今，還有跡象表明：光合生物能夠利用熱液口發出的微弱的熱發光輻射。這已經表明存在一種吸引人的可能性：光合作用在深海熱液口環境下可能也有進化的基礎。

近年來人們發現：水與巖石之間的相互作用產生的可用能量能夠使地下深環境中的生物茁壯成長。盡管許多地下生物體利用地面生物光合作用產生的“向下過濾”的有機化合物生存，但是一些物種仍能夠從純無機環境中(由地下水與巖石之間簡單的風化反應產生的)制造自己的有機分子。

極端環境下的生物

如今已知：微生物物種幾乎占據pH值的全部范圍，從1.4(極端酸性)到13.5(極端堿性)都有。生物也能在極端溫度下生長，其中一些物種可以在高達114℃(如意大利武爾卡諾火山的熱泉與深海熱液口)的環境下生長，而另外一些物種可以在低至-15℃(如西伯利亞永凍土中的巖鹽膜)的情況下生存。生物同樣也占了鹽度很寬的范圍，從淡水到析出鹽的氯化鈉飽和環境(鹽度大約達300％)都能生長。

除適應環境之外，一些微生物物種有壽命顯著延長的跡象。即使在地球上最干燥的沙漠里，一些物種通過生活在多孔巖石之內也能生存下來。在多孔巖石之內，它們能夠找到一個紫外線輻射照不到的安全區。只有當能夠獲得其生長所需的水時，它們才會突然活躍起來。微生物已經與西伯利亞永凍土隔絕，在這里，它們已經在深冷凍土中待了大約300萬年。細菌已經從有3000萬年歷史的孢子中發育出來，而這些孢子仍為琥珀色。嗜鹽微生物也已經從具有億萬年歷史的巖鹽中栽培出來。

探索地球外生命

在探索地球外生命中應該特別重視的是，為太陽系中其他地方的生命尋找可能的生存環境。例如，現在我們必須考慮在火星或木星衛星——木衛二上可能存在一個地下生物界。

火星的地下水范圍可能很廣，位于地表以下幾千米。最近的探測發現，火星表面的小河槽是由地面滲流所致，更能上述說法提供了佐證。如果能證明液態水是形成這些地貌的原因，則火星上存在生物的可能性將顯著增加。

地表液態水在火星表面也許已經存在了幾億年，早在行星出現之初就有了。如果在此類似地球期的火星上發展出了地面生物，則它很可能將地球化石的最高紀錄遠遠地拋在后面。

我們都知道，冷卻是保護生物體的一種有效方式?？枴に_根首次提出：今天，火星上早期生長的微生物仍然以永久凍結狀態存在，保存在地下冰中。

木星的衛星木衛二的情況也一樣嗎?實施“伽利略”計劃期間獲得的有關木衛二磁場的測量結果。已經夯實了在水冰外殼之下存在一個咸海的觀點。從上到下的水井可以運送生物體及其產物，這似乎很合情合理。這些物體最后將被冰凍起來，并保留在地面上或地面附近寒冷的冰中。

結論

有一件事情似乎是清楚的：在地球上，生命實際上占據了各個可想象的自然環境，在此自然環境中，液態水、能源以及基本的營養物同時存在。在其他星球上情況是否是這樣，是當今太空生物學面對的首要問題之一。盡管我們能夠有效利用已經學到的關于地球生命的知識，但是對關于地球外生命的這個問題仍然需要做進一步研究。這也許就是天體生物科學最令人注目的方面，也是我們度量我們取得進步所依據的一個標準。