本文最初发布于The Conversation。
我们在宇宙中只知道一个生物形成的例子——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可能是什么样子时，你如何寻找外星生命？
这些问题正困扰着天体生物学家，他们是寻找地球以外生命的科学家。天体生物学家试图制定普适的规则，来支配地球及其他地方复杂物理和生物系统的出现。
我是一名天文学家，撰写了大量关于天体生物学的文章。通过我的研究，我了解到，外星生命最普遍的形式很可能是微生物，因为单细胞比大型生物更容易形成。但万一有先进的外星生命存在，我加入了国际咨询委员会，该委员会负责设计发送给那些文明的信息。
探测地球以外的生命
自1995年首次发现系外行星以来，已经发现了超过5000颗系外行星，即绕其他恒星运行的行星。
其中许多系外行星都像地球一样，是小的、岩石状的，并且位于其恒星的宜居带内。宜居带是指行星表面与它所绕恒星之间的距离范围，在这个范围内，行星可以拥有液态水，从而支持我们地球人所知的生命。
迄今为止探测到的系外行星样本预示着，在我们的星系中有3亿个潜在的生物实验——即3亿个地方，包括系外行星和其他天体（如卫星），具备孕育生命所需的适宜条件。
研究人员面临的不确定性始于生命的定义。感觉定义生命应该很容易，因为我们能辨认出生命，无论是飞翔的鸟还是在水中移动的微生物。但是科学家们对定义意见不一，有些人认为可能无法给出一个全面的定义。
NASA将生命定义为“能够进行达尔文进化论的、自我维持的化学反应”。这意味着具有复杂化学系统的生物会通过适应环境而进化。达尔文进化论认为，生物的生存取决于其在环境中的适应性。
地球上生命的进化历经数十亿年，从单细胞生物发展到大型动物和其他物种，包括人类。
系外行星遥远且比其母星暗数亿倍，因此研究它们极具挑战性。天文学家可以使用一种称为光谱学的方法来检查类地系外行星的大气层和表面，以寻找生命的化学信号。
光谱学可能会探测到行星大气中的氧气信号，这是数十亿年前地球上蓝绿藻通过光合作用产生的，或者叶绿素信号，这表明存在植物生命。
NASA的生命定义引发了一些重要但尚未解决的问题。达尔文进化论是普适的吗？哪些化学反应可以导致地球以外的生命？
进化与复杂性
地球上所有生命，从真菌孢子到蓝鲸，都起源于大约40亿年前的最后共同祖先。
所有地球上的生物都表现出相同的化学过程，这些过程可能具有普适性。它们也可能在其他地方截然不同。
2024年10月，一群不同领域的科学家聚集在一起，跳出固有思维模式来思考进化问题。他们希望退一步，探讨哪些过程创造了宇宙中的秩序——无论是否是生物性的——从而弄清楚如何研究与地球生命截然不同的生命形式的出现。
与会的两位研究人员认为，在允许某些构型比其他构型更持久的环境中，复杂的化学物质或矿物质系统会演化出储存更多信息的能力。随着时间的推移，系统将变得更加多样化和复杂，通过一种自然选择的形式获得生存所需的功能。
他们推测，可能存在一个定律来描述各种物理系统的演化。通过自然选择的生物进化只是这个更广泛定律的一个例子。
在生物学中，信息指的是DNA分子序列中存储的指令，这些指令共同构成了一个生物体的基因组，并决定了该生物体的外观和功能。
如果从信息论的角度定义复杂性，那么自然选择将导致基因组在存储更多关于其环境的信息时变得更加复杂。
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是错误的。生物信息随基因组大小而增加，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比例，或者说是表达环境适应性的总遗传物质的比例。
人们认为是原始的生物，如细菌，其基因组信息密度很高，因此看起来比植物或动物的基因组设计得更好。
一个普适生命理论仍然难以捉摸。这样的理论将包含复杂性和信息存储的概念，但它不会与DNA或我们在地球生物学中发现的特定细胞类型挂钩。
对外星生命搜索的启示
研究人员已经探索了地球生物化学的替代方案。所有已知的生物，从细菌到人类，都含有水，而水是地球生命必不可少的溶剂。溶剂是一种液体介质，可以促进生命可能从中产生的化学反应。但生命也有可能从其他溶剂中产生。
天体生物学家Willam Bains和Sara Seager已经探索了数千种可能与生命相关的分子。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的，碳构成了地球上所有必需生命分子的骨架——至少在这里是这样。它甚至可能不需要行星就能生存。
外星行星上的高级生命形式可能奇特到无法识别。当天的体生物学家试图探测地球以外的生命时，他们需要富有创造力。
一种策略是测量系外行星岩石表面的矿物信号，因为矿物多样性与地球生物进化同步。随着地球上生命的进化，它利用并创造了矿物作为外骨骼和栖息地。生命形成时存在的100种矿物，如今已发展到约5000种。
例如，锆石是简单的硅酸盐晶体，可以追溯到生命开始之前。澳大利亚发现的一颗锆石是地球上已知最古老的地壳碎片。但是其他矿物，如磷灰石，一种复杂的磷酸钙矿物，是由生物产生的。磷灰石是骨骼、牙齿和鱼鳞的主要成分。
寻找与地球生命不同的生命体的另一种策略是探测文明的证据，例如人造灯光，或大气中的工业污染物二氧化氮。这些是智慧生命的示踪剂的例子，称为技术信号。
尚不清楚何时以及如何会发生对地球以外生命的首次探测。可能是在太阳系内，或者通过分析系外行星的大气层，或者通过探测来自遥远文明的人工无线电信号。
这项搜索是一条曲折的道路，而不是一条笔直的道路。而且这还是针对我们所知的生命——对于我们未知的生命，一切皆有可能。
披露：Chris Impey 的研究获得了美国国家科学基金会和霍华德·休斯医学研究所的资助。
