宇宙中生物形成的例子只有一个——地球上的生命。但如果生命可以以其他方式形成呢？当你不知道外星生命是什么样子时，你如何寻找外星生命？
这些问题引起了天体生物学家——寻找地球以外生命的科学家的关注。天体生物学家试图提出通用规则来管理地球内外复杂物理和生物系统的出现。
我是一位天文学家，撰写了大量有关天体生物学的文章。通过我的研究，我了解到最丰富的外星生命形式可能是微生物，因为单细胞比大型生物体更容易形成。但为了防止那里存在先进的外星生命，我是国际咨询委员会的成员，负责设计发送给这些文明的信息。
探测地球以外的生命
自 1995 年首次发现系外行星以来，已发现超过 5,000 颗系外行星或绕其他恒星运行的行星。
许多系外行星都像地球一样小且多岩石，并且位于其恒星的宜居带内。宜居带是行星表面与其绕轨道运行的恒星之间的距离范围，使行星能够拥有液态水，从而支持地球上的生命。
迄今为止检测到的系外行星样本预计在我们的银河系中可能存在3 亿个潜在的生物实验，或者说3 亿个地方，包括系外行星和卫星等其他天体，具有适合生物出现的条件。
研究人员的不确定性始于生命的定义。感觉定义生命应该很容易，因为我们看到生命就知道它，无论是飞翔的鸟还是在一滴水中移动的微生物。但科学家们并未就定义达成一致，有些人认为可能无法给出全面的定义。
美国宇航局将生命定义为“能够实现达尔文进化论的自我维持的化学反应”。这意味着生物体具有复杂的化学系统，通过适应环境而进化。达尔文进化论认为，生物体的生存取决于其对环境的适应性。
地球上的生命进化已经经历了数十亿年，从单细胞生物到大型动物和包括人类在内的其他物种。
系外行星距离遥远，而且比它们的母恒星暗数亿倍，因此研究它们具有挑战性。天文学家可以使用光谱学方法检查类地系外行星的大气层和表面，以寻找生命的化学特征。
光谱学可以检测行星大气中的氧气特征（这种微生物被称为蓝绿藻，是由数十亿年前地球上的光合作用产生的）或叶绿素特征（表明植物生命）。
美国宇航局对生命的定义引出了一些重要但尚未解答的问题。达尔文进化论具有普遍性吗？哪些化学反应可以导致地球以外的生物产生？
进化与复杂性
地球上的所有生命，从真菌孢子到蓝鲸，都是从大约四十亿年前的微生物最后的共同祖先进化而来的。
地球上所有生物体都存在相同的化学过程，并且这些过程可能是普遍存在的。它们在其他地方也可能完全不同。
2024 年 10 月，一群多元化的科学家聚集在一起，跳出框框思考进化论。他们想退后一步，探索什么样的过程在宇宙中创造了秩序（无论是生物的还是非生物的），以弄清楚如何研究与地球上生命完全不同的生命的出现。
两名研究人员提出，复杂的化学物质或矿物系统，当环境中某些配置比其他配置更好地持续存在时，就会进化为存储更多信息。随着时间的推移，系统将变得更加多样化和复杂，通过一种自然选择获得生存所需的功能。
矿物是非生命系统的一个例子，数十亿年来其多样性和复杂性不断增加。图片来源： Doug Bowman ， CC BY
他们推测可能存在一个定律来描述各种物理系统的演化。通过自然选择进行的生物进化只是这一更广泛法则的一个例子。
在生物学中， 信息是指存储在 DNA 分子上的核苷酸序列中的指令，这些指令共同构成了生物体的基因组，并决定了生物体的外观及其功能。
如果你用信息论来定义复杂性，自然选择将导致基因组变得更加复杂，因为它存储了更多关于其环境的信息。
复杂性可能有助于衡量生命与非生命之间的界限。
然而，认为动物比微生物更复杂的结论是错误的。生物信息随着基因组大小的增加而增加，但进化信息密度却下降。进化信息密度是基因组内功能基因的分数，或表达对环境的适应性的总遗传物质的分数。
人们认为是原始的生物体，例如细菌，其基因组具有高信息密度，因此看起来比植物或动物的基因组设计得更好。
普遍的生命理论仍然难以捉摸。这样的理论将包括复杂性和信息存储的概念，但它不会与 DNA 或我们在陆地生物学中发现的特定类型的细胞联系在一起。
对寻找外星生命的影响
研究人员已经探索了陆地生物化学的替代方案。所有已知的生物体，从细菌到人类，都含有水，它是地球上生命所必需的溶剂。溶剂是一种液体介质，可以促进化学反应，从而产生生命。但生命也有可能从其他溶剂中诞生。
天体生物学家威廉·贝恩斯和萨拉·西格探索了数千种可能与生命有关的分子。可能的溶剂包括硫酸、氨、液态二氧化碳，甚至液态硫。
外星生命可能不是基于碳，碳构成了所有生命基本分子的支柱——至少在地球上是这样。它甚至可能不需要行星就能生存。
外星球上的高级生命形式可能非常奇怪，以至于无法辨认。当天体生物学家试图探测地球外的生命时，他们需要发挥创造力。
一种策略是测量系外行星岩石表面的矿物特征，因为矿物多样性跟踪陆地生物进化。随着生命在地球上的进化，它使用并创造了用于外骨骼和栖息地的矿物质。生命最初形成时存在的 100 种矿物质如今已增至约 5,000 种。
例如，锆石是简单的硅酸盐晶体，其历史可以追溯到生命开始之前。在澳大利亚发现的锆石是已知最古老的地壳碎片。但其他矿物质，例如磷灰石，一种复杂的磷酸钙矿物质，是由生物学产生的。磷灰石是骨骼、牙齿和鱼鳞的主要成分。
寻找与地球上不同的生命的另一种策略是检测文明的证据，例如人造光或大气中的工业污染物二氧化氮。这些是被称为技术签名的智能生命示踪剂的例子。
目前尚不清楚首次发现地球以外的生命将如何以及何时发生。它可能在太阳系内，或者通过嗅探系外行星的大气层，或者通过检测来自遥远文明的人造无线电信号。
寻找是一条曲折的路，而不是一条平坦的路。这对于我们所知道的生活来说是这样的——对于我们不知道的生活来说，所有的赌注都失败了。
本文根据知识共享许可从The Conversation重新发布。阅读原文。