第1章　是怪异的化学事故，还是宇宙的必然要求？

她像是有生命的一族，很了不起，简直活灵活现的！

刘易斯·卡罗尔，《爱丽丝镜中奇遇记》

在日常生活中，我们已经习惯了这样一个事实，即心理学的“时间之箭”所指的方向使我们能够审视、研究、反思和记忆过去的事件。但我们同样意识到，我们不可能回忆未来。我们最多只能尝试做出预言、推测，或者想象未来。正如诗人卡里·纪伯伦所写的那样：“因为生活不会倒退，也不会停留在昨天。”

矛盾的是，当谈到地球上生物的生命现象时，我们非常确定大自然将如何在遥远的未来终结它，但我们并不知道它到底是如何开始的。我们所知道的生命的自然终止（不是由占主导地位的物种的自我毁灭行为引起的消亡），将由我们比较了解和可预测的天体物理过程和大气过程决定（除非发生不可预见的宇宙事件，如小行星撞击或附近的γ射线暴，导致生命现象提前结束）。

例如，我们知道，在大约50亿年后，我们的太阳将急剧膨胀成为一颗红巨星，地球也将被烧焦，甚至可能被太阳膨胀的外壳所吞噬。复杂的多细胞生命将在更早的时候灭绝，大约10亿年后，太阳演化后期的温度上升将导致地球生物圈发生危险的衰退。

但与此同时，有关生命起源的问题则仍然是一个谜。尽管我们在理解生物学的组成方面取得了巨大进展，但我们仍然不知道究竟是什么导致了生命的自发出现，也不知道第一批细胞是如何突然出现的。正如英国化学家约翰·萨瑟兰所说，关于从化学中衍生出生物学的那个重要时刻，我们只能说生命是“突然”出现的。萨瑟兰还诙谐地提到了氰化物的突然发现，正如我们将看到的，氰化物在生命起源中发挥了至关重要的作用。

与生命起源密切相关的另一个问题是：我们在宇宙中是孤独的吗？至少从古希腊毕达哥拉斯时代起，这个问题就引起了人类的兴趣。或者我们也可以换一种更现代、更实际的说法：银河系是否像许多科幻作品描绘的那样还有其他生命存在？换言之，我们想知道人类是否终于结束了在银河系的孤独现状。

虽然本书的两位作者中一位是天体物理学家，另一位是化学生物学家，但在我们的整个科学生涯中，我们都为这些宇宙之谜着迷。我们确实一直对这些问题很感兴趣，但在很长一段时间里，我们除了好奇之外无能为力，因为直到最近，这些问题仍被认为是棘手的，我们可能毕生都无法解决，甚至只能在科学的边缘徘徊。它们往往被归入“太难”的类别。

但这种情况在过去30年中发生了巨变。地球上的生命是如何开始的？我们在银河系里是孤独的吗？试图准确回答这两个问题的科学研究已经成为最具活力的两个前沿领域。

值得注意的是，这两个问题的答案取决于第三个问题。这个问题相对简单，定义明确，而且更容易回答（至少原则上如此）：在一颗潜在宜居的行星表面出现生命的可能性有多大？这个问题涉及两个完全不同且基本独立的研究领域。第一，目前的实验室研究旨在确定生物学是否真的可以从纯化学中产生；第二，天文学的很大一部分内容就是致力于寻找其他行星或卫星（无论是太阳系的还是其他恒星周围的）上明确的生命迹象。这两种方法目前都引起了人们的浓厚兴趣，也是科学家群体积极探索的主题。事实上，正如美国国家科学院、美国国家工程院和美国国家医学院2021年11月发布的一份报告所概述的那样，在太阳以外的恒星周围的行星——系外行星——上寻找生命，现在已成为美国天文学界的一致目标。本书的两位作者均（在自己的学科领域中）当仁不让地参与了这些探索。

我们想在本书中强调的一个要点是，追寻地球上生命的起源和寻找地外生命是两个具有强大共生关系的科学课题。其中一个方面的成功将为另一个方面提供极其鼓舞人心的线索和强大的动力。原因很简单。如果我们能在实验室中找到一条从化学通往生命的途径，那么这将意味着大自然也有可能做到这一点，因为它拥有更复杂多样的环境和亿万年的时间，甚至可能在宇宙中的许多地方，包括我们的银河系家园，做到这一点。此外，如果我们能全面了解地球上生命起源可能涉及的一系列令人信服的事件、过程和环境条件，我们就可以更好地预测生命在其他行星或卫星上自发出现的可能性或不可能性。这些见解都有助于我们去寻找地外生命。

从另一个角度思考，如果我们通过天文观测发现地外生命是相对普遍的，那么我们将更加相信生命存在一条不可避免的地球化学演化路径。反过来，这种信念将激励人们去发现正确的初始条件、种子材料、必要的能源和化学反应网络，而这些都是生命出现的先决条件。更进一步来讲，探寻生命起源问题和寻找地外生命这两方面的研究，将为天文学、地质学、化学和生物学等领域和学科的探索提供独特的机会。

这里还有一个重要的问题需要考虑。我们知道，在许多领域中和许多情形下，零一无穷（ZOI）规则都适用。也就是说，一个实体或者被完全禁止（0态），或者哪怕它再罕见也会有一个样本存在（1态），或者只要有一个样本，我们就能期望有大量的样本存在（无穷态）。因此，如果存在某种完全独立于地球上生命的地外生命（生命的第二起源），那么（应用ZOI规则）我们可以合理地假设宇宙中可能有无限多的生命存在。

本书讲述了科学界在这两方面并行努力的有趣故事：一个领域的明确目标是在实验室中找到从化学到生命的路径，另一个的目标是发现地外生命。这些任务均隐含着合作和偶尔的竞争（谁会首先达成目标），但都非常有趣。它们都将目标着眼于解决人类的核心谜题：“我们从哪里来？我们为什么在这里？我们是孤独的吗？”虽然这可能听起来有点儿夸张，但这些追求最终实际上是要了解我们自身的起源，以及我们在这个广袤、古老和复杂的宇宙中的位置。

生命是一个多么美好的概念

虽然这两个问题——“生命是如何开始的？”“有地外生命吗？”——自古以来就让人类着迷，但在有记录的大部分历史中，几乎每个人都认为第一个问题的答案很简单：“上帝创造了它。”事实上，在19世纪初之前，就连科学家也非常确信，生物体必然被赋予了某种神秘的“生命力”，由此才与无生命的物质区分开来。然而，第二个问题则引发了一场争论，其源头可以追溯到数千年前，当时的人们对“其他可居住的世界”的设想进行了大胆猜测。例如，早在公元前一世纪，古罗马的伊壁鸠鲁派诗人卢克莱修（Titus Lucretius Carus）就写道：

那为什么你必须承认

在天空的其他区域存在其他的世界，

那里有不同部落的人和各种野兽。

在这场旷日持久的理论交锋中，哥白尼的日心说模型具有突出的里程碑意义，因为它不仅为地球在广阔宇宙中的重要意义提供了一个全新的视角，而且为其他类似地球世界的存在提供了一种现实的框架，在这个框架内，其他类似地球的世界至少是可以想象的。16世纪末，意大利多明我会修道士兼哲学家乔尔达诺·布鲁诺对哥白尼的这些在当时来看很新颖的概念进行了扩展。他提出了一个著名的猜想：“太空中有无数的星座、恒星和行星；我们只看到恒星是因为它们发光；行星因为又小又暗，是看不见的。还有无数个地球围绕着它们各自的太阳旋转，它们既不比我们的地球更糟，也不比我们的地球等级低。”布鲁诺用丰富的想象力预见了近代科学，并进一步得出结论：“任何理智的人都会认为，比我们这个星球宏伟得多的天体上可能会孕育出与我们地球上的生物相似甚至更优越的生物。”不幸的是，由于布鲁诺顽强捍卫在当时被视为异端的非正统伦理和神学思想，他于1600年2月17日被罗马宗教裁判所烧死。

从17世纪开始，不断有人提出与宇宙多样性有关的主张。著名科学家，如天文学家约翰内斯·开普勒和克里斯蒂安·惠更斯，以及其他有影响力的知识分子，如法国科学作家伯纳德·丰特奈尔，都认为地外生物有可能存在。在伽利略发现四颗围绕木星运行的卫星后，开普勒很快就推断出：“结论很清楚，我们的月球是为地球上的我们而存在的，而不是为其他星球而存在的。这四颗小卫星是为木星而不是为我们而存在的。反过来，每颗行星及其居住者都由各自的卫星来提供服务。从这一点出发，我们推断出木星有人居住的可能性最大。”此外，伽利略本人对其他可居住的世界的存在持不可知论的态度。他谨慎地说：“我既不应该肯定（其他行星上的生命），也不应该否定它，而应该把决定权留给比我更聪明的人。”

伴随着宇宙多样化的声音，也有人强烈否认存在地外生命的说法。出现这种观点的主要原因在于，仅仅是其他星球上有居民的想法就可能对天主教会的某些教义产生令人不安的影响。反对者提出了一些教会难题，例如，“如果其他星球上真的有人，他们也是亚当和夏娃的后代吗？”“耶稣基督也是他们的救世主吗？”

鉴于宗教思想在人类历史的大部分时间里都有着巨大影响，毫不奇怪，“生机论”和相信生命必然遍布宇宙的观念最初更多地基于神学而非科学论据。生机论在很大程度上受到了《圣经》中文字的启发：“耶和华神用地上的尘土造人，将生气吹在他的鼻孔里，他就成了有灵的活人。”亚里士多德也认为，灵魂是“有生命的身体的现实”。还是基于宗教信仰，一些19世纪的思想家坚持认为存在有人居住的地外世界，因为如果不是这样，巨大的浩瀚空间似乎是对造物主努力的巨大浪费。

到了20世纪，哲学家和在哲学上日渐成熟的科学家，开始尝试去定义生命。就连量子力学的创始人之一埃尔温·薛定谔也在1944年出版了一本名为《生命是什么？》（What Is Life？）的小书。这大大激发了人们对发现遗传的化学基础的热情。然而，总的来说，每个人对生命的定义都各不相同。分子生物物理学家爱德华·特里福诺夫收集了研究者关于生命的123个定义。在分析了他们的措辞后，他于2011年提出了凝练共识的定义：“生命是一种带有变异的自我复制。”尽管如此，美国国家航空航天局的天体生物学部门还是采用了一种早期的定义（它与其他大多数定义一样饱受争议），即“生命是一个能够进行达尔文进化的自持的化学系统”。但是，我们感兴趣的并不是对生命的普适性定义。总的来说，我们认为，关于“生命是什么”的讨论在帮助我们理解生命起源方面并不是特别富有成效。而且，它致使我们陷入了用一个词来涵盖多种不同现象所产生的混乱状态。相反，我们认为真正重要的是，找到一条在一个年轻的星球上产生生物性变化的路径。到目前为止，我们只知道整个宇宙中生命产生的一个例子——地球上的生命。这一事实让揭示这条难以捉摸的路径变得很难。原则上，其他地方的生命可能会采取我们无法识别甚至无法想象的形式。

生物学家已经取得了一定的进展，确定了生命所需的一些基本要素，以及塑造地球上每种生命形式必备（也是至关重要）的几种属性。这些基本要素包括：第一，为新陈代谢反应提供动力的能源；第二，可以促进这种（和其他）反应的液体溶剂；第三，产生生物质所需的营养素。

地球上生命形式的必备特征如下：第一，生命由细胞组成；第二，可以进行新陈代谢（也就是说，它可以从环境中获取能量和物质，并将其用于生长和繁殖）；第三，利用催化剂来协助和加速化学反应；第四，包含一个信息系统。最后一个特性意味着生命可以复制自己的特征，并且可以经历达尔文进化——它拥有的化学指令可指导操作，它携带的信息可以代代相传。简言之，我们所知道的生命需要以某种方式无缝整合这四个子系统，即区隔化（细胞）、新陈代谢、催化和遗传。

尽管所有研究生命起源的人员都认为地球上所有生物都有这些特征，但几十年来，人们一直就这些特征是否分主次以及如果分，哪一个是最基本的持有异议。具体来说，为了让生命出现，地球上必须首先出现哪一项特征？正如我们很快将看到的那样，这一特殊的混乱状态似乎在过去20年中以某种意想不到的方式得以厘清。

生命之书

在奥斯卡·王尔德的戏剧《无足轻重的女人》中，伊琳沃勋爵称：“生命之书从花园里的一男一女开始。”对此，亚龙比太太机智地回应道：“它以启示录作为结尾。”

尽管人们基于强烈的宗教情绪认为生活必须包含一些魔法或神圣干预的成分，但在19世纪初，人们的观点开始发生变化。1828年，德国化学家弗里德里希·维勒偶然间从常见化学物质中合成了尿素——一种在尿液中发现的物质，以前被认为是生命所独有的。欣喜若狂的维勒对自己在实验室中成功仿制出大自然中的物质感到高兴，他写信给他的老师兼合作者、化学家约恩斯·雅各布·柏齐力乌斯：“可以说，我激动得手都抖了，我必须告诉你，我可以在不需要人类或狗的肾脏的情况下制造出尿素；氰酸的铵盐就是尿素。”

查尔斯·达尔文的自然选择进化理论，使人们对生物学的理解发生了戏剧性飞跃。尽管达尔文理论本身完全回避了生命起源问题，对生物最初是如何形成的只字不提，但1871年达尔文在给朋友约瑟夫·道尔顿·胡克的一封信中谈到了地球生命可能是如何开始的这个问题。他写道（这句话现在很著名）：“我们想象（哦，这是个多么大的假设）在一个温暖的小池塘里有各种氨和磷酸盐、阳光、热、电等条件，想象蛋白质化合物已经通过化学方式形成，并且正准备经历更复杂的变化。如果是在今天，这种物质会被立即吞噬或吸收，而在生物形成之前，这种情况是不会发生的！”

达尔文的这个富有先见之明的推测之所以引人注目，至少有5个原因。第一，它完全消除了对生命起源中任何超自然事物的需求；第二，它表明生命可能起源于一个“温暖的小池塘”，正如我们将要看到的，这种观点与我们今天的想法一致；第三，它将氨和磷酸盐（含氮和磷的化合物）确定为（潜在的）生命所必需的物质，这也是一种令人难以置信的先见之明；第四，它提出某种形式的“蛋白质化合物”可能在产生生命的化学过程中发挥了作用；第五，为了避免给人留下生物体可能反复出现的印象，达尔文指出，最初的生命形式产生的条件在今天已经不复存在。

人们对生命只不过是高度复杂的化学系统的结合这个观点深恶痛绝。怀疑论者声称，生命的设计过于巧妙，不可能仅仅通过偶然的过程产生，也不可能只遵循物理和化学定律。因此，即使是许多原则上接受生命的化学起源的人，他们过去也认为必须有一些极其罕见的偶然事件，才能一举将最初的活细胞的所有成分整合在一起。

当今地球上所有细胞生命都具有令人难以置信的复杂性，这一事实让人们进一步相信这种复杂性是从简单构建块的混沌汤中创造出来的。但这种复杂局面最令人困惑的一个方面是，现存生命的所有部分和过程都以循环的方式依赖于其他部分和过程。例如，生命需要通过复杂的新陈代谢来制造生物化学物质，这些物质是组装蛋白质酶所必需的，而催化新陈代谢本身的反应又需要用到这些蛋白质酶！同样，要对蛋白质（生命的主力分子）进行指定方式的组装，就需要用到核酸分子（DNA和RNA）来对相关信息进行编码，而蛋白质又是制造DNA和RNA所必需的物质。更令人困惑的是，为了让所有这些分子都能完成各自的使命，又需要由细胞膜将所有分子参与者聚集在一起。而细胞膜是由被称为脂质的脂肪化合物制成的，这些脂肪化合物则是由蛋白质酶合成的。这种自我指涉或递归的活动（让人想起平面艺术家埃舍尔的一幅著名画作，画中两只手在互相画画）深深嵌入现代生物体的结构，以至于多年来，似乎需要有一些奇迹般的事件来弥合化学物质的随机混合物和活细胞的高度组织结构之间的差距。早在1981年，DNA双螺旋结构的共同发现者弗朗西斯·克里克就强调：“一个诚实的人，即使掌握了我们现在已有的所有知识，也只能承认在某种意义上，生命的起源似乎仍是一个奇迹，那么多的条件必须都得到满足才能让它继续下去。”

毋庸置疑，认为生命在地球上出现可能是一场怪异的化学事故的观点，让人们对在其他地方发现生命的可能性持悲观态度。毕竟，生命的起源是标志着从一个仅仅“适合居住”的地外场所转变为有人居住的环境的关键一步。因此，在20世纪50年代甚至60年代初，很少有天文学家敢直言相信地外生命的存在，尤其是地外智慧生命。

20世纪60年代末，事情开始朝另一方向发展，首先是在化学生物学方面。即便如此，要克服观念上的障碍，即生命不可能诞生于化学中这一信念所形成的障碍，至少需要下述两项诺贝尔奖获得者的发现，还需要我们对生命起源思考方式的彻底逆转。

第一项发现涉及确定特定的RNA分子（即转运RNA，也叫tRNA）的结构，RNA是蛋白质合成机制的一部分。这种核酸链的复杂三维图震惊了科学界。与相对来说特征不明显且相当稳健的重复双螺旋结构DNA不同，RNA是一种单链分子，而且像蛋白质一样有着复杂的折叠结构。康奈尔大学的化学家罗伯特·霍利是第一位研究tRNA序列及其二维化学结构的研究人员，1968年，他因这一工作与威斯康星大学的哈尔·戈宾徳·霍拉纳、美国国立卫生研究院的马歇尔·尼伦伯格一起被授予诺贝尔生理学或医学奖。不久后，剑桥大学医学研究委员会的阿伦·克鲁格和麻省理工学院的亚历山大·里奇确定了令人惊讶的RNA三维折叠结构。

包括弗朗西斯·克里克和英国化学家莱斯利·奥格尔在内的一些科学家立即意识到这种惊人结构的潜在含义，它意味着RNA可能像酶（一种与蛋白质类似的生物催化剂）一样发挥作用。于是奥格尔提出了一个突破性的想法，即地球上的早期生命是不含有DNA和蛋白质的。相反，他认为，生命是从核糖核酸开始的！这在当时来看是一个大胆的猜测，对大多数研究人员来说，RNA可能既携带序列中的信息，又能加速化学反应（在此之前，生物学认为这是蛋白质酶的专属领域）的想法太让人难以接受了。直到大约20年后，化学家托马斯·切赫和分子生物学家西德尼·奥尔特曼才真正发现了RNA酶，并因此获得了诺贝尔奖。这是一项开创性的发现，它彻底改变了人们对生命起源的思考方式。它意味着，原则上，RNA可以作为一种酶，甚至能够催化其自身的复制，从而有可能解决棘手的“先有鸡还是先有蛋”的难题。突然之间，一个比目前任何一个细胞都简单得多的原始细胞出现了。在这个假定的“原细胞”中，RNA分子发挥着双重作用：既作为遗传信息的载体，又作为细胞的酶，来执行细胞的基本功能。最重要的是，后一作用包括遗传信息的复制。在这种新情况下，DNA和蛋白质可以被视为进化后来的产物，专门为存储信息和催化化学反应而定制。这意味着生命史上可能存在一个更简单的时代，在这个时代，RNA独自扮演关键细胞演员阵容中的所有主角——既是“鸡”又是“蛋”，它被称为RNA世界。

从天文学的角度看，最初的进展有些滞后，但后来事情开始以惊人的速度发展。具体来说，1995年10月6日，日内瓦大学的天文学家米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹宣布首次明确探测到太阳系外围绕类日恒星运行的行星。他们也因这项突破性发现而获得2019年诺贝尔物理学奖。

寻找其他可居住的世界

可以公平地说，在寻找其他可居住的世界这个问题上，我们现在比30年前更接近答案，但这个问题仍然悬而未决。

截至2023年秋，天文学家在4 100多个行星系统中发现了5 500多颗已确认的（太阳）系外行星。其中有930多个行星系统拥有至少一颗行星。此外，还有7 400多颗候选的太阳系外行星有待最终确认。这些系外行星主要是由开普勒太空望远镜和凌日系外行星勘测卫星（TESS）发现的。你能想象吗？在短短30年的时间里，天文学已经从不知道除太阳以外是否还有其他被行星围绕的恒星，发展到了拥有储存数百万颗行星资料的宝库！这一结果的直接统计意义是，我们的银河系充满了行星。

更令人兴奋的是，天体物理学家现在估计，银河系中至少有1/5的类太阳恒星或更小的恒星在其宜居带（habitable zone）中存在一颗与地球大小差不多的行星（甚至每三颗恒星中可能就有一颗是这种情况）。宜居带是指行星与寄主星（或母恒星）之间的适宜生命存在的环形范围，在该范围内，类地行星表面的温度既不会太高也不会太低，刚好适合液态水（以及潜在的生命）稳定存在。通常，如果已知地球大小的系外行星的轨道和寄主星的性质（如表面温度、光度和质量），那么我们至少可以根据假设的行星大气层成分估计该恒星的宜居带边界。大气通常被认为主要包含氮气、二氧化碳和水蒸气，后两种成分被认为是温室气体。虽然其他因素，如大气质量和成分、地质和地球化学驱动因素、行星的自转速度、营养素的存在与否、能源的可用性、对有害辐射的防护，以及寄主星本身的类型和稳定性等，对于确定一颗行星是否真的“宜居”很重要，但研究表明，理论上银河系中可能存在数亿甚至几十亿颗宜居的行星。

这些惊人的天文发现，再加上化学生物学方面颇有远见的新见解，极大地推动了对地外生命的探索和通过实验室化学来创造生命的尝试。在将这些科学突破与地球上现有的地质发现进一步结合起来后，人们可能会得出结论，认为（某种形式的）生命可能无处不在。值得注意的是，地质学家已经表明，大约37亿至35亿年前，即“仅仅”在地球表面冷却到允许液态水存在的数亿年后，地球上的生命形式就已经相当丰富了。因此，许多人受到了天文学家卡尔·萨根的乐观主义的感染（萨根可能是历史上最热情、最极力倡导在其他地方寻找生命的人），对此我们不应该感到惊讶。萨根曾兴高采烈地宣称：“生命的起源必定是一件极有可能的事情；只要条件允许，它就会出现！”当时许多生物学家都对此表示同意。诺贝尔生理学或医学奖获得者克里斯蒂安·德迪夫则更进一步，他认为生命在宇宙中的出现是“宇宙的当务之急”。

说实话，我们真的不能确定。目前在各个层面上，仍然存在许多尚未解决的问题和严重的不确定性。例如，在过去的几十年里，生物学家一直在争论生命的哪些关键特征——细胞、新陈代谢、催化或遗传——最先出现。也许可以预见，科学家倾向于分成四大阵营。“代谢优先”阵营的成员声称，利用环境资源维持生物体生存的能力是必须发展的首要能力。第二个阵营认为，遗传学或“复制优先”——产生后代的能力——无疑是通过自然选择进化的基石。第三个阵营认为，如果没有能够促进和加速化学反应速率的催化剂，就很难想象遗传学和新陈代谢如何发挥作用，因此支持“催化优先”，这意味着蛋白质酶是生命出现的必要先决条件。第四个阵营认为分区优先。如果没有某种小型容器、一个原胞、一个原生细胞把所有分子聚集在一起，与周围环境分开，生命就不可能起源。多年来，分属不同阵营的成员热衷于各自选择的对象，并固执地坚持自己的观点，以至于在关于生命起源的科学会议上，在场的那些科学记者经常听到来自某个阵营的科学家毫不掩饰地诋毁其他阵营的观点。科学似乎与政治越来越像了。

好吧，那个特殊的问题也许已经解决了。令人惊讶的是，生命起源研究人员的最新发现似乎表明，过去40年来对生命起源问题的整体看法可能被误导了。“谁先出现”的争论源于这样一个事实，即假设找到一种方法来构建第一个单元，再构建下一个单元，上一个单元为下一个单元铺平道路。但是，这种想法在过去几年中发生了巨变。最新的想法表明，子系统的构建块是可以同时形成的。研究人员已经成功地证明，一些在早期地球上很容易获得的简单化合物可以引发这样一个化学反应网络（将在接下来的5章中做详细描述），这些化学反应基本上可以同时产生核酸（遗传分子的核心）、氨基酸（蛋白质的制造来源）和脂质（细胞壁的构建来源）。换言之，本书作者之一杰克·绍斯塔克实验室的实验、化学家约翰·萨瑟兰实验室的突破性研究，以及他们许多同事的研究表明，尽管第一批细胞是非常复杂和精确的实体，但它们可能是由较小的、恰好合适的构建块组成的。因此，研究人员现在的目标变得更加雄心勃勃。他们不去检查某个成分，而是试图勾勒出一个完整、统一的轮廓。也就是说，这幅图将融合前生物化学（生命产生之前的化学，生命的组分可能就是通过它合成的）实验室的所有现有数据与天体物理学、地质学和大气科学的观测结果，描绘出一条稳健的生命之路。在这方面，未来对火星进行的直接的地表化学探测（通过研究从火星返回地球的样本来实现）可能会提供令人兴奋的新机会。它的发现可能会让我们了解早期环境，从而使我们对生命起源的理解实现飞跃。而由于地球外壳的动力学循环，我们已经无法从地球的地质记录中找到这些环境留下的痕迹。

当然，无论是壮观的天文发现，还是迄今为止在实验室中取得的有前景的结果，都没有对“生命是怪异的化学事故，还是宇宙的必然要求？”这个问题给出明确的答案。有人可以理直气壮地说，在没有直接证据表明存在不间断的化学生命途径的情况下，即使条件合适，我们也不能确定生命就一定会出现。同样，天文学家（到目前为止）还没有发现任何令人信服的地外生命的迹象，这一事实让我们在评估存在地外生命的可能性方面一无所获。人们无法可靠地计算未知过程或尚未发现现象的可能性。英国物理学家保罗·戴维斯指出，银河系中虽然有许多“宜居”行星，但这并不一定意味着其中任何一颗（地球除外）都有人居住。即使太阳系外行星的温度和化学成分有利于生命的存在，我们仍然不知道生命诞生的可能性有多大。地球上的亲生物条件可能完全是在逆境中出现的，一个智能物种的进化可能是一种罕见的侥幸，而不是进化的一般性结果。尤其是人类的存在，这可能是由一系列宇宙的偶发事件促成的。例如，如果不是大约6 600万年前的一次偶然的小行星撞击导致恐龙灭绝，人类可能根本不会出现。

最后一点带来的问题与关于地外生命普遍存在的可能性的问题一样有趣。银河系中是否存在其他形式的复杂或“智慧”生命？事实上，到目前为止，还没有任何证据表明存在其他智慧生命。如果存在的话，我们现在应该能看到一些技术文明留下的迹象（技术特征），这一明显矛盾被称为“费米悖论”。这一命名还有这样一个著名的故事，著名物理学家恩里科·费米问他的同事：“人都在哪里呢？”他对银河系中没有发现其他智慧生命存在的迹象表示惊讶。费米认为，在合理的假设下，一种先进的技术文明可能在比太阳系年龄短得多的时间内到达我们银河系的每个角落。因此，目前我们毫无发现的结果非常令人困惑。尽管多年来已经提出了许多关于费米悖论的潜在解决方案，但对于哪一种方案（如果有的话）是正确的，仍然没有达成共识。人们甚至可以得出结论，有这么多可能的解释本身就表明，这些解释中没有一个是真正令人信服的。然而，更重要的是，费米悖论确实提出了一种令人不安的可能性，即可能存在某种“大过滤器”——某种瓶颈——阻止智慧文明的出现，让进化的某些阶段或长期生存变得极其困难。这个概念最初是由乔治梅森大学经济学家罗宾·汉森于1996年提出的。如果这是真的，这可能会对地球上的生命产生苛刻的影响。这种过滤器或概率阈值可能发生在我们这个文明的过去，在这种情况下，我们可能是极少数（甚至可能是第一个！）成功“通关”的文明之一。这将给我们肩上施加巨大的责任。但过滤器也可能存在于我们的未来，在这种情况下，新冠感染大流行或当前的气候变化危机可能只是一场儿童戏剧的排练，以帮助我们完成在未来成功通过这样一个过滤器的艰巨任务。我们将在第11章回到有关费米悖论及其分支的讨论上来。

我们希望上述简短的讨论能让你明白，天文学家、行星科学家、大气科学家、地质学家、化学家和生物学家（包括本书两位作者在内的这个庞大群体）正在试图解决一些令人生畏的难题，而我们还不具备解决这些难题的全部要素。即使过去几十年中科学发生了巨大的进步，我们也仍然不知道生命起源到底是一场极其罕见的化学事故的结果（在这种情况下，我们在银河系中可能是孤独的存在），还是一种化学上的必然（这可能会使我们成为一个巨大星系团的一部分）。两种前景都有其深远的科学、哲学、实践乃至宗教上的意义。它们甚至可能决定着我们对一系列可能存在的风险所采取的行动方针，无论这些风险是人类自己造成的还是宇宙本身的。从某种意义上说，地外生命的存在与否可以作为一面镜子，让我们审视和思考自己的成就，以及我们的罪责和缺点。地外人，如果他们存在的话，可以帮助我们判定作为人类的确切含义。

为了解决这些难题，我们必须采取一些具体行动。大约4个世纪前，伽利略为我们提供了一份路线图。如果我们想破译宇宙，我们就应该遵循这条路线。他认为，找出自然真相的唯一方法是通过耐心的实验和仔细的观察，最终得出深思熟虑的理论。反过来，这些理论还需要通过进一步的实验和观察来检验。这就是科学方法的基础，即某种程度上获取知识的理想化经验过程。正如夏洛克·福尔摩斯曾经指出的那样：“在没有数据之前就进行理论推导是一个巨大的错误。在这种情况下人们扭曲事实以适应理论，而不是让理论来适应事实。”我们需要不断进行实验室实验，以寻找通往生命的化学途径（如果存在的话），同时进行天文观测，以探测地外生命的迹象（如果这些迹象不是极为罕见的话）。实验室实验包括两个主要步骤。第一，化学家需要充分了解生物分子是如何在一个年轻的星球上合成的；第二，一旦正确的生物分子能够存在，生物化学家就需要去发现这些分子的集合是如何组装起来，并且能像活细胞一样发挥作用。反过来，这些发现可以为地质学家、行星科学家、大气科学家和天文学家提供生命出现所必需的行星环境的信息。

正如我们稍后将详细描述的那样，考虑到在无限广阔的宇宙中（甚至只是在我们的银河系中）寻找生命所面临的客观困难，为了增加成功的机会，天文学家对这个问题采取了三管齐下的攻坚计划。第一项任务是努力在太阳系中寻找过去或现在地外生命存在的迹象。第二项任务旨在寻找位于寄主星的宜居带内的系外类地行星大气层中的生命迹象（生物印记[1]）。第三项任务是设法在整个搜索过程中找到一条捷径，力图检测出智慧的技术文明留下的印记。以下是对一些现有的和不久后将出现的天文设施的简要描述。随着詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）在2021年圣诞节成功发射，以及凌日系外行星勘测卫星为JWST初步确定了合适的太阳系外行星目标，天文学家首次有机会表征（或至少是探测）相对较小的岩石行星的大气层，或者稍大的（亚海王星级）海洋行星的大气层。研究人员最终想找到远远超出化学平衡的气体，这种气体不可能由纯粹的非生物（与生命无关）过程产生。正如我们将在第9章中解释的那样，发现一个富含氧气的大气层将表明该行星可能曾存在生命，因为我们知道，地球大气层中的氧气几乎拥有同一个来源：生命。

其他令人兴奋的项目也在进行中。欧洲极大望远镜（ELT）直径达130英尺[2]，计划于2028年开始运行。这架望远镜将是天空中最大的光学/近红外“眼睛”，它将试图拍摄到系外类地行星的图像。同样，位于智利阿塔卡马沙漠中的拉斯坎帕纳斯天文台正在建造直径为83英尺的巨型麦哲伦望远镜（GMT），30米望远镜（TMT）可能落地夏威夷的冒纳凯阿火山。这些望远镜预计将于2030年左右开始投入观测。

寻找地外技术印记（始于寻找地外智能）的势头也在增强。除了艾伦望远镜阵列（Allen Telescope Array）的前42个单元已经在北加利福尼亚州的哈特克里克射电天文台（Hat Creek Radio Observatory）开始建造，还有“突破聆听”（Breakthrough Listen）项目，该项目旨在观察大约100万颗近距恒星（观测其无线电波和可见光波段的光谱）。2019年年底，“突破聆听”项目开始与TESS合作，扫描TESS发现的行星。中国的500米口径球面射电望远镜（FAST）也将“探测星际通信信号”列为其科学任务的一部分。此外，伽利略计划是对传统的搜寻地外文明（SETI）项目的补充，因为SETI搜索的是可能与地外智慧的技术设备有关的物理实体，而不是电磁信号。

如果说我们认为地外生命的发现指日可待，那就太夸张了。但所有的努力确实为这种乐观前景提供了现实的理由。如果生命在银河系中无处不在（或者如果我们很幸运的话！），我们就有可能在未来的一二十年发现一颗有生命的行星。

我们认为，地外生命（尤其是智慧生命）的发现，或者实验室中生命的合成，将掀起一场革命。这场革命将使哥白尼和达尔文革命也相形见绌。读者们，我们将为你们提供一个通往这些宏伟目标的迷人探索的最佳观察位置。我们相信，我们这一代人最有可能在人类历史上发挥关键作用，成为第一批知道我们来自哪里以及我们是否在银河系中独一无二的人。从理智上讲，本书两位作者最害怕的莫过于当这些重大发现出现时，我们可能已经不在世了。也许这并不奇怪，死亡的必然性凸显了寻找生命的意义。

毫无疑问，有些人会把在实验室里从化学反应中创造生命看作一种对“被禁止的知识”的解锁——在某种意义上试图“扮演上帝”。事实上，皮尤研究中心2021年11月的一项民意调查发现，只有1/6的美国人不相信来生，近3/4的美国成年人相信天堂的存在（这相当于相信生命的起源不仅仅是纯粹的化学过程）。我们认为调查生命起源在某种程度上并不是一种禁忌。强烈的好奇心一直驱使着人类试图破解大自然的奥秘，并回答许多“如何”“是什么”“为什么”的问题。当涉及生命——可以说是我们人类最珍贵的东西——时，认为我们不想找到它的起源，或者不想发现它是不是地球上独有的东西，这是不合理的。正如伽利略曾经说过的那样：“我觉得我们没有义务相信，给予我们感官、理性和智慧的上帝会希望我们放弃它们。”只有在我们利用所获得的知识做些什么的时候，我们才会明确地运用我们的伦理、道德和人道原则来决定什么是对的，什么是错的。

有些人甚至反对进行天文探索和寻找地外生命的尝试，他们认为这是一件危险的事情。同样，我们确实无法保证人类与另一种智慧生命可能会发展出何种关系，但人类的好奇心是无法遏制的，它将一直推动着人类做出远远超出其生存所需的努力。

圣埃克苏佩里在他的杰作《小王子》中描述了叙述者和小王子之间的一次鼓舞人心的对话，当时小王子即将返回他的母星/小行星。小王子说：“所有的人都有星星，对不同的人来说，它们并不是相同的东西……但所有这些星星都是沉默的。你——只有你一个人——会拥有其他人都没有的星星。”叙述者不禁问道：“你想说什么？”小王子回答说：“我会生活在其中的一颗星星上。我会在其中一颗星星上笑……就好像所有的星星都在笑……你——只有你——会有一群会笑的星星！”想象一下，如果我们真的知道某个系外行星上有人居住，或者如果我们真正了解地球上的生命是如何产生的，我们会有什么感觉。

我们在我们的地球家园上开启了探索之旅。由于地球上的生命是我们迄今为止已知的唯一生命形式，化学家一直在尝试解决的第一个问题是，地球上的生物真的是从普通化学反应中产生的吗？或者，更具体地说，活的原细胞是由早期地球上存在的化学物质组装而成的吗？为了回答这个关键问题，研究前生命阶段的化学家必须首先确定能产生RNA和蛋白质构建块的化学途径。下一步的目标是显而易见的：建立一个可以经历达尔文进化的细胞系统。在接下来的四章里，我们将描述这些卓越的努力、它们的变迁和成功，以及必然发生的概念革命。其中将不可避免地涉及相当多的化学成分，我们意识到许多读者可能对这些生物化学知识有点儿“生疏”。然而，我们确实觉得，我们可以为感兴趣的读者——也许是第一次——提供一种崭新而详细的描述，讲述过去20年来该领域令人难以置信的进步和成就。我们认为，科学中最有趣的三个基本问题都与起源有关：宇宙的起源，生命的起源，以及思想或意识的起源。考虑到目前的研究工具和技术，在这三个问题中，生命的起源现在似乎是最容易解决的一个。

---

[1]生物印记（biosignatures）一词在本书中专指生物留下的环境印记（如大气含氧量），而不是指生物本身携带的特征（features），所以译作“生物印记”而不作“生物特征”。同样，technosignatures译作“技术印记”而不作“技术特征”。——译者注

[2]1英尺=0.304 8米。——编者注