大多数科学家长期以来都认为地球上的生命是一种本土现象。根据传统的假设，最早的活细胞是数十亿年前在我们星球上通过化学演化产生的，这个过程被称为自然发生。另一种可能性——活细胞或它们的前体来自太空——在许多人看来是科幻小说。然而，过去十年的发展为地球生物圈可能源于外星种子的观点赋予了新的可信度。
行星科学家已经了解到，在太阳系早期历史中，可能包括许多拥有液态水的世界，液态水是生命存在的必要成分。美国宇航局的火星探测漫游者最近的数据证实了之前的怀疑，即水在过去至少间歇性地在红色星球上流动过。假设很久以前火星上存在生命，甚至现在仍然存在，并非不合理。生命也可能在木星的第四大卫星欧罗巴上进化出来，欧罗巴表面之下似乎存在液态水。土星最大的卫星泰坦富含有机化合物；考虑到该卫星的寒冷温度，在那里发现生命形式将是非常令人惊讶的，但不能排除这种可能性。生命甚至可能在炎热的金星上获得立足之地。金星表面可能太热，大气压力也太大，不适合居住，但该行星可能在高层大气中支持微生物生命。而且，最有可能的是，金星表面的条件并非一直如此恶劣。金星可能曾经与早期的地球相似。
此外，行星际空间的广阔范围并非曾经认为的那么令人望而却步的障碍。在过去的 20 年里，科学家们已经确定，根据一些岩石中捕获的气体成分，地球上发现的 30 多颗陨石最初来自火星地壳。与此同时，生物学家发现了足够耐受的生物体，可以在这些陨石内部的短途旅行中幸存下来。虽然没有人暗示这些特定的生物体实际上进行了这次旅行，但它们可以作为原理证明。生命可能起源于火星，然后来到地球，或者反之，并非不可能。研究人员现在正在深入研究行星之间生物物质的运输，以更好地了解它是否曾经发生过。这项努力可能会揭示现代科学中一些最引人入胜的问题：生命起源于何处和如何起源？是否存在截然不同的生命形式？生命在宇宙中有多普遍？
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从哲学到实验室
对于古代哲学家来说，从非生物物质中创造生命似乎如此神奇，如此属于神祇的领域，以至于有些人实际上更倾向于现成的生命形式来自地球以外的想法。公元前 2500 年居住的希腊哲学家阿那克萨哥拉斯提出了一个名为“泛种论”（希腊语为“所有种子”）的假设，该假设认为所有生命，实际上是所有事物，都起源于遍布宇宙的微小种子的组合。在现代，包括英国物理学家开尔文勋爵、瑞典化学家斯万特·阿伦尼乌斯和 DNA 结构的共同发现者弗朗西斯·克里克在内的几位杰出科学家都提倡过各种泛种论的概念。可以肯定的是，这个想法也有不太有声望的支持者，但他们不应 detract 泛种论是一个严肃的假设这一事实，当我们考虑生命在宇宙中的分布和进化以及生命如何在地球上具体存在时，我们不应忽视这种潜在的现象。
地球的生物圈可能源于外星种子。
现代形式的泛种论假设解决了生物物质可能如何到达我们星球的问题，但没有解决生命最初是如何起源的问题。无论生命在哪里开始，都必须从非生物物质中产生。自然发生从哲学领域转移到实验领域是在 20 世纪 50 年代，当时芝加哥大学的化学家斯坦利·L·米勒和哈罗德·C·尤里证明，氨基酸和其他对生命重要的分子可以从早期地球上被认为存在的简单化合物中生成。[中断]
在当今的细胞中，专门的 RNA 分子有助于构建蛋白质。一些 RNA 充当基因（由脱氧核糖核酸 (DNA) 组成）和核糖体（细胞的蛋白质工厂）之间的信使。其他 RNA 将氨基酸（蛋白质的构建块）带到核糖体，而核糖体又包含另一种 RNA。RNA 与蛋白质酶协同工作，蛋白质酶有助于将氨基酸连接在一起，但研究人员发现核糖体中的 RNA 可以单独执行蛋白质合成的关键步骤。在生命进化的早期阶段，所有酶都可能是 RNA，而不是蛋白质。因为 RNA 酶可以在没有预先存在的蛋白质酶来启动过程的情况下制造出第一批蛋白质，所以自然发生不再是曾经被认为是先有鸡还是先有蛋的问题。RNA 和蛋白质的益生元系统可能逐渐发展出复制其分子部分的能力，最初很粗糙，但后来变得越来越有效。
对生命起源的这种新理解改变了关于泛种论的科学辩论。这不再是一个非此即彼的问题，即第一批微生物是在地球上产生的还是来自太空。在太阳系早期的混乱历史中，我们的星球受到了包含简单有机化合物的陨石的强烈轰击。年轻的地球也可能接收到具有酶功能的更复杂的分子，这些分子是益生元的，但属于已经走上生物学道路的系统的一部分。在地球上合适的栖息地着陆后，这些分子可能继续进化成活细胞。换句话说，一种中间情景是可能的：生命可能在地球和太空都有根源。但是生命发展的哪些步骤发生在何处？一旦生命扎根，它又传播了多远？
研究泛种论的科学家过去只专注于评估这个想法的基本合理性，但他们最近试图估计生物物质从其他行星或卫星到达地球的可能性。为了开始他们的行星际旅行，这些物质必须通过彗星或小行星的撞击从它们的起源行星喷射到太空。在太空中旅行时，喷射出的岩石或尘埃粒子需要被另一个行星或卫星的引力捕获，然后减速到足以落到表面，如果存在大气层，则穿过大气层。这种转移在整个太阳系中频繁发生，尽管喷射出的物质更容易从远离太阳的天体传播到更近的天体，也更容易到达质量更大的天体。事实上，不列颠哥伦比亚大学天体物理学家布雷特·格拉德曼的动态模拟表明，从地球转移到火星的质量仅为从火星传递到地球的质量的几个百分点。因此，最常讨论的泛种论情景涉及微生物或其前体从火星到地球的运输。
对小行星或彗星撞击火星的模拟表明，物质可以发射到各种各样的轨道上。格拉德曼和他的同事估计，每隔几百万年，火星就会经历一次威力足以喷射出最终可能到达地球的岩石的撞击。行星际旅程通常很漫长：每年降落在地球上的大约一吨火星喷射物大部分都在太空中度过了数百万年。但是，到达地球表面的火星岩石中，有极小一部分——大约每 1000 万块中有一块——在太空中度过的时间不到一年。在撞击事件发生后的三年内，大约 10 块拳头大小、重量超过 100 克的岩石完成了从火星到地球的航行。较小的碎片，例如卵石大小的岩石和尘埃颗粒，更可能在行星之间快速旅行；非常大的岩石这样做频率要低得多。[中断]
生物实体能否在这次旅程中幸存下来？首先，让我们考虑一下微生物是否能在陨石母体的喷射过程中存活下来。最近的实验室撞击实验发现，某些细菌菌株可以承受在典型的火星高压喷射过程中遇到的加速度和急动（加速度变化率）。然而，至关重要的是，撞击和喷射不会将陨石加热到足以破坏其中生物物质的程度。
行星地质学家以前认为，任何速度超过火星逃逸速度的撞击喷射物几乎肯定会被汽化，或者至少完全熔化。然而，在发现来自月球和火星的未熔化、基本完好的陨石后，这个想法后来被否定了。这些发现促使亚利桑那大学的 H·杰·梅洛什计算出，一小部分喷射出的岩石确实可以通过撞击从火星弹射出来，而根本不会发生任何加热。简而言之，梅洛什提出，当撞击产生的向上传播的压力波到达行星表面时，它会经历 180 度的相位变化，几乎抵消了表面下方薄薄一层岩石内部的压力。由于这个“剥落区”在下层受到巨大压力时几乎没有受到压缩，因此靠近表面的岩石可以相对不变形地以高速喷射出来。
接下来，让我们考虑一下进入地球大气层期间的生存能力。芝加哥大学恩里科·费米研究所的前爱德华·安德斯已经表明，行星际尘埃粒子在地球高层大气中缓慢减速，从而避免了加热。相比之下，陨石会经历明显的摩擦，因此它们的表面通常会在穿过大气层时熔化。然而，热脉冲有时间最多传播几毫米到陨石内部，因此埋在岩石深处的生物体肯定会存活下来。
在过去五年中，我们（韦斯）及其同事发表的一系列论文分析了两种类型的火星陨石：钠钙无球粒陨石，这是一组 1100 万年前由小行星或彗星撞击火星而喷射出的岩石，以及 ALH84001，它在 400 万年前离开了红色星球。（ALH84001 在 1996 年出名，当时由美国宇航局约翰逊航天中心的戴维·麦凯领导的一组科学家声称，这块岩石显示出类似于地球细菌的化石微生物的痕迹；十年后，研究人员仍在争论这颗陨石是否包含火星生命的证据。）通过研究陨石的磁性以及其中捕获的气体成分，韦斯及其合作者发现，ALH84001 和迄今为止发现的七颗钠钙无球粒陨石中的至少两颗自成为火星表面的一部分以来，升温不超过几百度摄氏度。此外，钠钙无球粒陨石几乎是原始岩石，没有受到高压冲击波的影响，这一事实意味着火星撞击没有将它们加热到 100 摄氏度以上。
许多，但并非全部，陆地原核生物（简单的单细胞生物，如缺乏膜结合细胞核的细菌）和真核生物（具有明确细胞核的生物）都可以在这个温度范围内存活。这个结果是第一个直接的实验证据，证明物质可以在行星之间传播，而不会在从喷射到着陆的任何时候被热灭菌。
辐射问题
然而，为了使泛种论发生，微生物不仅需要从第一个行星喷射出来并在进入第二个行星的大气层中幸存下来，还需要在行星际航行中幸存下来。携带生命的流星体和尘埃粒子将暴露在太空真空、极端温度和几种不同类型的辐射中。特别令人担忧的是太阳的高能紫外线 (UV)，它会破坏将有机分子的碳原子结合在一起的键。然而，很容易屏蔽紫外线；只需几百万分之一米的 opaque 材料就足以保护细菌。[中断]
事实上，一项使用美国宇航局长期暴露设施 (LDEF) 的欧洲研究表明，薄薄的铝制外壳为细菌物种枯草芽孢杆菌的孢子提供了足够的紫外线屏蔽。LDEF 是 1984 年由航天飞机部署的卫星，并在六年后的轨道上被航天飞机回收。在受铝保护但暴露于太空真空和极端温度的孢子中，80% 仍然具有活力——研究人员在任务结束时将它们重新激活为活性细菌细胞。至于未被铝覆盖并因此直接暴露于太阳紫外线辐射的孢子，大多数被摧毁，但并非全部。大约万分之一的未屏蔽孢子保持活力，并且葡萄糖和盐等物质的存在提高了它们的存活率。即使在像尘埃粒子这样小的物体内部，太阳紫外线也不一定会使整个微生物菌落无菌。如果菌落位于像鹅卵石一样大的物体内部，紫外线防护将大大增强。
LDEF 研究虽然信息丰富，但它是在低地球轨道上进行的，完全在地球保护性磁场内。因此，这项研究无法说明行星际带电粒子的影响，行星际带电粒子无法穿透地球磁层。太阳不时产生高能离子和电子爆发；此外，带电粒子是不断轰击我们太阳系的银河宇宙射线的主要成分。保护生物免受带电粒子以及伽马射线等高能辐射的影响比屏蔽紫外线要棘手得多。一层只有几微米厚的岩石可以阻挡紫外线，但增加更多的屏蔽实际上会增加其他类型辐射的剂量。原因是带电粒子和高能光子与岩石屏蔽材料相互作用，在陨石内部产生次级辐射阵雨。
除非岩石非常大，直径约为两米或更大，否则这些阵雨可能会到达岩石内部的任何微生物。然而，正如我们在上面指出的，大型岩石非常不频繁地进行快速行星际航行。因此，除了紫外线防护外，真正重要的是微生物对所有太空辐射成分的抵抗力以及携带生命的陨石从一个行星到另一个行星的移动速度。旅程越短，总辐射剂量越低，因此存活的机会越大。
事实上，枯草芽孢杆菌在辐射抗性方面相当强大。更耐寒的是耐辐射奇异球菌，这是一种细菌物种，是农业科学家亚瑟·W·安德森在 20 世纪 50 年代发现的。这种生物体可以在食品消毒的辐射剂量下存活，甚至在核反应堆内部茁壮成长。帮助耐辐射奇异球菌修复其 DNA、构建超厚细胞壁以及以其他方式保护自身免受辐射的相同细胞机制也可以减轻脱水造成的损害。从理论上讲，如果具有这种能力的生物体被嵌入从火星弹射出的物质中，就像钠钙无球粒陨石和 ALH84001 显然是那样（即，没有过度加热），那么一部分生物体在行星际空间中度过多年，甚至几十年后，仍然具有活力。
然而，活性生物体、孢子或复杂有机分子在地球磁层之外的实际长期生存从未经过测试。此类实验，即将生物材料置于模拟陨石材料中，并将它们暴露于行星际空间环境中，可以在月球表面进行。事实上，生物样品被携带在阿波罗登月任务中，作为欧洲辐射研究早期化身的一部分。然而，最长的阿波罗任务持续时间不超过 12 天，样品保存在阿波罗飞船内，因此没有暴露于完整的太空辐射环境。未来，科学家可以将实验包放置在月球表面或行星际轨道上几年，然后再将它们返回地球进行实验室分析。研究人员目前正在考虑这些方法。[中断]
与此同时，一项名为火星辐射环境实验 (MARIE) 的长期研究正在进行中。MARIE 由美国宇航局于 2001 年发射，作为火星奥德赛轨道器的一部分，其仪器正在测量当航天器围绕红色星球运行时银河宇宙射线和高能太阳粒子的剂量。虽然 MARIE 不包含生物材料，但其传感器旨在关注对 DNA 最有害的太空辐射范围。
未来研究
正如我们所展示的，泛种论在理论上是合理的。此外，该假设的重要方面已经从合理性过渡到定量科学。陨石证据表明，在太阳系的历史中，行星之间一直在进行物质转移，而且这个过程仍然以既定的速度发生。此外，实验室研究表明，从火星大小的行星喷射出的一块行星物质中的相当一部分微生物可以在喷射到太空和进入地球大气层中幸存下来。但是泛种论假设的其他部分更难确定。研究人员需要更多数据来确定像枯草芽孢杆菌或耐辐射奇异球菌这样的抗辐射生物体是否能在行星际旅程中存活下来。即使是这项研究也无法揭示地球生物圈实际发生的可能性，因为这些研究涉及当今的陆地生命形式；数十亿年前生活的生物体可能表现得更糟或更好。
此外，科学家无法量化生命在地球以外的行星上存在或曾经存在的可能性。研究人员对任何生命系统的起源知之甚少，包括地球的生命系统，无法就自然发生在任何特定世界上发生的可能性得出可靠的结论。如果有合适的成分和条件，也许生命需要数亿年才能开始。或者也许五分钟就足够了。我们唯一可以肯定地说的是，在 27 亿年前，或者可能在更早的数亿年前，生命形式在地球上蓬勃发展。
由于目前不可能量化泛种论情景的所有步骤，因此研究人员无法估计在给定时期内最有可能到达地球表面的生物物质量或活细胞数量。此外，可行生物体的转移并不自动意味着接收它们的行星的成功播种，特别是如果该行星已经有生命。例如，如果在地球上独立产生生命后，火星微生物到达地球，那么外星生物可能无法取代或与本土物种共存。火星生命也可能在地球上找到了合适的生态位，但科学家们只是尚未识别出来。研究人员对地球上细菌物种总数的清点不超过百分之几。与地球已知生命在基因上无关的生物群可能就在我们眼皮底下未被识别地存在着。
最终，科学家可能无法知道泛种论是否发生以及在多大程度上发生，直到他们在另一个行星或卫星上发现生命。例如，如果未来的太空任务在红色星球上发现生命，并报告说火星生物化学与我们自己的生物化学非常不同，那么研究人员将立即知道地球上的生命不是来自火星。然而，如果生物化学相似，科学家们可能会开始怀疑这两个生物圈是否具有共同的起源。假设火星生命形式使用 DNA 来存储遗传信息，研究人员可以研究核苷酸序列来解决这个问题。如果火星 DNA 序列没有遵循地球上活细胞用来制造蛋白质的相同遗传密码，研究人员将得出结论，火星-地球泛种论是值得怀疑的。但是还有许多其他情景是可能的。研究人员可能会发现火星生命使用 RNA 或其他完全不同的东西来指导其复制。事实上，地球上尚未被发现的生物体也可能属于这一类，而这些奇异的陆地生物可能被证明与火星生命形式有关。[中断]
无论陆地生命是在地球上出现，还是通过来自太空的生物播种，还是作为某种中间情景的结果出现，答案都将是有意义的。火星-地球泛种论的证实将表明，生命一旦开始，就可以很容易地在恒星系统中传播。另一方面，如果研究人员发现火星生物体独立于陆地生命而出现的证据，那将表明自然发生可以在整个宇宙中轻松发生。更重要的是，生物学家将能够将地球生物体与外星形式进行比较，并制定更普遍的生命定义。我们将最终开始理解生物学定律，就像我们理解化学和物理定律一样——作为自然的本质属性。