生命的起源是科学界尚未解决的伟大难题之一。没有人知道生命是如何、在哪里或何时起源的。几乎可以肯定的是，微生物生命在大约三十五亿年前已经在地球上建立起来。在缺乏先前证据的情况下，存在大量分歧的空间。
三十年前，生物学家普遍认为，生命是由一次化学上的偶然事件产生的，这种偶然事件非常不可能再次发生在可观测宇宙中。法国诺贝尔奖得主生物学家雅克·莫诺是这种保守立场的代表，他在1970年写道：“人类终于知道自己在无情的宇宙无限中是孤独的，他只是偶然从中出现的。” 然而，近年来，这种情绪发生了巨大的转变。1995年，著名的比利时生物化学家克里斯蒂安·德·迪夫称生命为“宇宙的必然”，并宣称“几乎肯定会在任何类地行星上出现”。德·迪夫的声明加强了天体生物学家们长期以来的信念，即宇宙中充满了生命。纽约大学的罗伯特·夏皮罗将这种理论称为生物学决定论，有时用“生命被写入自然法则”来表达。
科学家如何确定哪种观点是正确的？最直接的方法是寻找另一个行星上的生命证据，例如火星。如果生命在一个太阳系中的两个行星上从零开始起源，这将决定性地证实生物学决定论的假设。不幸的是，可能还需要很长时间，火星探测任务才能足够先进，以至于能够寻找火星生命形式，并且如果它们确实存在，能够详细研究这种地外生物群。
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然而，可能有一种更简单的生物学决定论测试方法。没有哪个行星比地球本身更像地球，因此，如果生命确实很容易在地球条件下出现，那么它可能在我们的家园星球上形成了多次。为了追求这种诱人的可能性，科学家们已经开始在沙漠、湖泊和洞穴中寻找“外星”生命形式的证据——这些生物将与所有已知的生物截然不同，因为它们是独立产生的。这些生物很可能是微观的，因此研究人员正在设计测试方法来识别可能生活在我们中间的奇异微生物。
科学家们尚未就生命的严格定义达成共识，但大多数人会同意，生命的两个标志是代谢能力（从环境中获取营养，将这些营养转化为能量并排出废物）和繁殖能力。正统的生物发生观点认为，如果地球上的生命不止一次起源，那么一种形式会迅速占据主导地位并消灭所有其他形式。例如，如果一种形式迅速占用了所有可用资源，或者通过专门与其同类交换成功的基因来“结伙”对抗较弱的生命形式，则可能发生这种灭绝。但这种论点是站不住脚的。细菌和古菌是两种非常不同的微生物，它们起源于三十多亿年前的共同祖先，但此后一直和平共处，没有一方消灭另一方。此外，另类的生命形式可能没有与已知的生物直接竞争，要么是因为外星人占据了熟悉的微生物无法生存的极端环境，要么是因为这两种生命形式需要不同的资源。
外星生命存在的论据
即使另类生命现在不存在，它也可能在遥远的过去蓬勃发展，然后因某种原因而灭绝。在这种情况下，科学家们可能仍然能够在地质记录中找到它们已灭绝生物学的标记。例如，如果另类生命具有明显不同的代谢方式，那么它可能会以已知生物的活动无法解释的方式改变岩石或产生矿藏。以独特的有机分子形式存在的生物标志物，这些分子不可能是由熟悉的生命创造的，甚至可能隐藏在古代微化石中，例如在太古代（超过25亿年前）的岩石中发现的那些微化石。
一种更令人兴奋但也更具推测性的可能性是，另类生命形式已经存活下来，并且仍然存在于环境中，构成了一种阴影生物圈，这个术语是由科罗拉多大学博尔德分校的卡罗尔·克莱兰和雪莱·科普利创造的。乍一看，这个想法可能看起来很荒谬；如果外星生物就在我们眼皮底下（甚至在我们的鼻子里）蓬勃发展，科学家们难道不早就发现它们了吗？事实证明，答案是否定的。绝大多数生物都是微生物，仅仅通过显微镜观察它们几乎不可能分辨出它们是什么。微生物学家必须分析生物的基因序列，以确定它在生命之树上的位置——所有已知生物的系统发育分组——而研究人员只对所有观察到的微生物中的极小一部分进行了分类。
可以肯定的是，迄今为止详细研究的所有生物几乎可以肯定都来自共同的起源。已知生物共享相似的生物化学，并使用几乎相同的遗传密码，这就是为什么生物学家可以对它们的基因进行测序并将它们定位在同一棵树上。但是，研究人员用来分析新发现生物的程序是有意定制的，目的是检测我们所知的生命。这些技术将无法正确响应不同的生物化学。如果阴影生命仅限于微生物领域，那么科学家们完全有可能忽略了它。
生态隔离的外星生物
今天，研究人员可能在哪里寻找地球上的外星生物？一些科学家专注于寻找占据生态隔离的生态位的生物，这些生态位超出了普通已知生命的范围。近年来令人惊讶的发现之一是已知生命在极其恶劣条件下生存的能力。人们已经发现微生物居住在从滚烫的火山喷口到南极洲干燥山谷的极端环境中。其他所谓的嗜极生物可以在盐饱和的湖泊、受金属污染的高度酸性矿山尾矿和核反应堆的废水中生存。
然而，即使是最顽强的微生物也有其极限。我们所知的生命至关重要地依赖于液态水的存在。在智利北部的阿塔卡玛沙漠中，有一个地区非常干燥，以至于所有熟悉的生命的痕迹都消失了。此外，尽管某些微生物可以在高于水的正常沸点的温度下茁壮成长，但科学家们尚未发现任何生物在约130摄氏度（266华氏度）以上的温度下生存。然而，可以想象，一种奇异的另类生命形式可能在更极端的干燥或温度条件下存在。
因此，科学家们可能会通过在生态隔离区域发现生物活动的迹象来找到另类生命的证据，例如地面和大气层之间碳的循环。寻找这种不相连的生态系统的明显地点是在地球地壳的深层地下、高层大气、南极洲、盐矿以及受金属和其他污染物污染的地点。或者，研究人员可以在实验室实验中改变温度和湿度等参数，直到所有已知的生命形式都灭绝；如果某些生物活动持续存在，这可能是阴影生命在起作用的迹象。科学家们使用这种技术发现了抗辐射细菌耐辐射奇异球菌，它可以承受比对人类致命的伽马射线剂量高1000倍的剂量。事实证明，耐辐射奇异球菌和研究人员已经鉴定的所有其他所谓的嗜辐射生物都与已知的生命在基因上相关联，因此它们不是候选外星生物，但这一发现并未排除以这种方式发现另类生命形式的可能性。
研究人员已经确定了少数几个似乎与生物圈其余部分几乎完全隔离的生态系统。这些微生物群落位于地下深处，与光、氧气和其他生物的有机产物隔绝。它们依靠某些微生物利用化学反应或放射性释放的二氧化碳和氢气进行代谢、生长和繁殖的能力来维持生命。尽管迄今为止在这些生态系统中发现的所有生物都与生活在表面的微生物密切相关，但对地球深层地下的生物学探索仍处于起步阶段，可能还有许多惊喜等待着我们。综合海洋钻探计划一直在从海底采样岩石，深度接近一公里，部分目的是探索其微生物含量。陆地上的钻孔揭示了来自更深位置的生物活动迹象。然而，到目前为止，研究界尚未开展系统性、大规模的计划来探测地球地壳深层地下是否存在生命。
生态整合的外星生物
人们可能会认为，如果另类生命形式不是孤立的，而是融入到我们周围已知的生物圈中，那么更容易找到它们。但是，如果阴影生命仅限于与熟悉的种类混杂在一起的外星微生物，那么这些奇异的生物在随意检查时将很难被发现。微生物形态是有限的——大多数微生物只是小球体或杆状体。然而，外星生物可能会在生物化学上脱颖而出。寻找它们的一种方法是猜测可能涉及哪些另类化学物质，然后寻找其独特的特征。
一个简单的例子涉及手性。大型生物分子具有确定的手性：尽管分子中的原子可以配置成两种镜像方向——左手性或右手性——但分子必须具有兼容的手性才能组装成更复杂的结构。在已知的生命形式中，氨基酸——蛋白质的组成部分——是左手性的，而糖是右手性的，DNA是右手性的双螺旋结构。然而，化学定律对左和右是视而不见的，因此，如果生命再次从零开始，那么它的组成部分有50%的几率是相反手性的分子。阴影生命在原则上可能在生物化学上与已知生命几乎相同，但由镜像分子组成。这种镜像生命不会与已知生命直接竞争，两种形式也不能交换基因，因为相关的分子将无法互换。
幸运的是，研究人员可以使用非常简单的程序来识别镜像生命。他们可以制备一种营养液，其中完全由标准培养基中通常包含的分子的镜像组成；镜像生物可能能够津津有味地消耗这种混合物，而已知的生命形式会觉得它难以下咽。美国宇航局马歇尔太空飞行中心的理查德·胡佛和埃琳娜·皮库塔最近进行了一项此类初步实验，将各种新发现的嗜极生物放入镜像培养液中，然后寻找生物活动。他们发现了一种在培养液中生长的微生物，这种生物被称为多食厌氧菌，是从加利福尼亚州一个碱性湖泊的沉积物中分离出来的。令人失望的是，这种生物并没有被证明是镜像生命的例子；相反，它是一种细菌，具有令人惊讶的能力，可以化学改变错误手性的氨基酸和糖，使其易于消化。然而，这项研究只考察了微生物领域的一小部分。
另一种可能性是，阴影生命可能与熟悉的生命共享相同的通用生物化学，但使用不同的氨基酸或核苷酸（DNA的组成部分）套件。所有已知的生物都使用相同的核苷酸集——以其独特的碱基（腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和胸腺嘧啶）指定为A、C、G和T——来存储信息，并且（极少数例外）使用相同的20种氨基酸来构建蛋白质，蛋白质是细胞的工作机器。遗传密码基于核苷酸三联体，不同的三联体拼写出不同氨基酸的名称。基因中三联体的序列决定了必须串联在一起以构建特定蛋白质的氨基酸序列。但是化学家可以合成许多其他氨基酸，这些氨基酸不存在于已知的生物中。默奇森陨石是一颗彗星残骸，于1969年坠落在澳大利亚，它包含许多常见的氨基酸，但也包含一些不寻常的氨基酸，例如异缬氨酸和假亮氨酸。（科学家们不确定陨石中的氨基酸是如何形成的，但大多数研究人员认为这些化学物质不是由生物活动产生的。）其中一些不熟悉的氨基酸可能成为另类生命形式的合适组成部分。为了寻找此类外星生物，研究人员需要识别一种不被任何已知生物使用，也不作为生物代谢或衰变的副产品产生的氨基酸，并在环境中寻找它的存在，无论是在活微生物中，还是在可能由阴影生物圈产生的有机碎屑中。
为了帮助集中搜索，科学家们可以从蓬勃发展的合成或人工生命领域中获取线索。生物化学家目前正试图通过将额外的氨基酸插入蛋白质来工程化全新的生物。这项研究的先驱，佛罗里达州盖恩斯维尔应用分子进化基金会的史蒂夫·本纳指出，被称为α-甲基氨基酸的一类分子对于人工生命来说很有前景，因为它们可以正确折叠。然而，在迄今为止研究的任何天然生物中都没有发现这些分子。随着研究人员识别出新的微生物，使用质谱分析蛋白质成分等标准工具来了解生物含有哪些氨基酸将是一件相对简单的事情。库存中任何明显的异常都将表明该微生物可能是阴影生命的候选者。
如果这种策略成功，研究人员将面临确定他们处理的是真正来自独立起源的另类生命形式，还是仅仅是已知生命的新领域，例如古菌，古菌直到1970年代后期才被识别出来。换句话说，科学家如何确定看起来像生命之树的新树实际上不是已知树的未被发现的分支，该分支在很久以前就分裂出来，并且到目前为止一直逃脱了我们的注意？在所有可能性中，最早的生命形式与后来的生命形式截然不同。例如，用于指定特定氨基酸的复杂的DNA三联体密码显示出通过进化选择优化其效率的证据。这种观察表明存在更原始的前体，例如仅使用10种而不是20种氨基酸的双联体密码。可以想象，一些原始生物今天仍在沿用旧的前体密码。这种微生物不会是真正的外星生物，而更像是活化石。然而，它们的发现仍然具有巨大的科学意义。另一种可能从早期生物学时代遗留下来的遗留物是使用RNA代替DNA的微生物。
如果考虑对已知生物化学更根本的替代方案，那么将单独的生命之树与我们自身树的未被发现的分支混淆的可能性就会降低。天体生物学家推测了某些溶剂（例如乙烷或甲烷）取代水的生命形式，尽管很难在地球上找到任何可以支持任何建议物质的环境。（乙烷和甲烷只有在非常寒冷的地方（如土星最大的卫星泰坦的表面）才呈液态。）另一个流行的猜想涉及构成已知生物重要组成部分的基本化学元素：碳、氢、氧、氮和磷。如果用不同的元素代替这五个元素中的一个，生命是否有可能存在？
磷在某些方面对生命来说是有问题的。它相对稀有，并且在地球早期历史盛行的条件下，不会以容易获得的、可溶的形式大量存在。前亚利桑那州立大学，现哈佛大学的费利萨·沃尔夫-西蒙假设，砷可以成功地取代磷在生物体中的作用，并且在古代环境中会提供独特的化学优势。例如，除了像磷一样在结构键合和能量存储方面发挥作用外，砷还可以提供驱动新陈代谢的能量来源。（砷对常规生命有毒，正是因为它能很好地模拟磷。同样，磷对以砷为基础的生物也是有毒的。）以砷为基础的生命是否仍然潜伏在贫磷和富砷的口袋中，例如海底喷口和温泉？
另一个重要的变量是大小。所有已知的生物都使用称为核糖体的巨大分子机器从氨基酸中制造蛋白质，核糖体将氨基酸连接在一起。容纳核糖体的需要要求我们生命之树上的所有自主生物都必须至少有几百纳米（十亿分之一米）宽。病毒要小得多——小到只有20纳米宽——但这些介质不是自主生物，因为它们在没有它们感染的细胞的帮助下无法繁殖。由于这种依赖性，病毒不能被认为是另类生命形式，也没有任何证据表明它们来自独立的起源。但是多年来，一些科学家声称生物圈中充满了太小而无法容纳核糖体的细胞。1990年，德克萨斯大学奥斯汀分校的罗伯特·福克提请人们注意在意大利维泰博温泉中发现的沉积岩中的微小球形和卵形物体。福克提出，这些物体是化石化的“纳米细菌”（他更喜欢这种拼写），是小到30纳米宽的生物的钙化遗骸。最近，昆士兰大学的菲利帕·尤因斯在西澳大利亚海岸附近深海钻孔的岩石样本中发现了类似的结构。如果这些结构确实是由生物过程产生的——许多科学家对此论点表示强烈反对——那么它们可能是另类生命形式的证据，这些生命形式不使用核糖体来组装它们的蛋白质，因此逃避了适用于已知生命的下限尺寸。
也许最有趣的可能是外星生命形式居住在我们自己的体内。1988年，芬兰库奥皮奥大学的奥拉维·卡亚德和他的同事们用电子显微镜观察哺乳动物细胞时，在许多细胞内部观察到了超微颗粒。这些颗粒的尺寸小至50纳米，约为传统小细菌尺寸的十分之一。十年后，卡亚德和他的同事们提出，这些颗粒是活的生物，它们在尿液中茁壮成长，并通过在自身周围沉淀钙和其他矿物质来诱导肾结石的形成。尽管这种说法仍然存在争议，但可以想象，至少其中一些微型生命形式是采用完全另类生物化学的外星生物。
生命究竟是什么？
如果发现一种生物化学上怪异的微生物，那么它作为第二次起源的证据，而不是我们自身生命之树上的新分支的地位，将取决于它与已知生命的区别有多大。然而，在不了解生命是如何开始的情况下，对于这种区别没有明确的标准。例如，一些天体生物学家推测了生命可能从硅化合物而不是碳化合物中产生的可能性。由于碳在我们生物化学中如此重要，因此很难想象基于硅和碳的生物可能来自共同的起源。另一方面，如果一种生物采用与已知生命形式相同的核苷酸和氨基酸套件，但仅仅使用不同的遗传密码来指定氨基酸，则不会为独立起源提供强有力的证据，因为这些差异很可能可以通过进化漂变来解释。
反之亦然的问题也存在：暴露于相似环境挑战的不同生物通常会在其特性上逐渐趋同，这些特性将针对在现有条件下茁壮成长进行优化。如果这种进化趋同足够强大，它可能会掩盖独立生物发生事件的证据。例如，氨基酸的选择可能已通过进化优化。开始使用不同氨基酸集的外星生命随后可能会随着时间的推移进化为采用与熟悉的生命形式相同的集合。
确定生物是否是外星生物的难度因存在两种相互竞争的生物发生理论而加剧。第一种是生命始于突然而独特的转变，类似于物理学中的相变，可能是当系统达到一定的化学复杂性阈值时触发的。该系统不必是单个细胞。生物学家提出，原始生命是从一个细胞群落中产生的，该群落交易物质和信息，而细胞自主性和物种个体化是后来才出现的。另一种观点是，从化学到生物学存在一个平滑的、扩展的连续统，没有明确的界限可以被识别为生命的起源。
如果生命（众所周知，生命很难定义）被认为是一个具有某种属性的系统——例如存储和处理某些类型信息的能力——这标志着从非生物领域到生物领域的明确转变，那么谈论一个或多个生命起源事件将是有意义的。然而，如果生命被弱定义为类似有组织的复杂性，那么生命的根源可能会无缝地融入一般复杂化学的领域。除非两种类型的生物体相距甚远以至于它们不可能接触（例如，如果它们位于不同恒星系统的行星上），否则证明不同生命形式的独立起源将是一项艰巨的任务。
显然，我们只采样了地球微生物种群的一小部分。每一项发现都带来了惊喜，并迫使我们扩展了我们对生物学上可能的概念。随着更多地球环境的探索，似乎很有可能发现新的和更奇特的生命形式。如果这项搜索要揭示第二次起源的证据，那将有力地支持生命是一种宇宙现象的理论，并使我们更有理由相信我们在宇宙中并不孤单。