生命的起源是科學界尚未解決的偉大難題之一。沒有人知道生命是如何、在哪裡或何時起源的。幾乎可以肯定的是，微生物生命在大約三十五億年前已經在地球上建立起來。在缺乏先前證據的情況下，存在大量分歧的空間。
三十年前，生物學家普遍認為，生命是由一次化學上的偶然事件產生的，這種偶然事件非常不可能再次發生在可觀測宇宙中。法國諾貝爾獎得主生物學家雅克·莫諾是這種保守立場的代表，他在1970年寫道：“人類終於知道自己在無情的宇宙無限中是孤獨的，他只是偶然從中出現的。” 然而，近年來，這種情緒發生了巨大的轉變。1995年，著名的比利時生物化學家克里斯蒂安·德·迪夫稱生命為“宇宙的必然”，並宣稱“幾乎肯定會在任何類地行星上出現”。德·迪夫的宣告加強了天體生物學家們長期以來的信念，即宇宙中充滿了生命。紐約大學的羅伯特·夏皮羅將這種理論稱為生物學決定論，有時用“生命被寫入自然法則”來表達。
科學家如何確定哪種觀點是正確的？最直接的方法是尋找另一個行星上的生命證據，例如火星。如果生命在一個太陽系中的兩個行星上從零開始起源，這將決定性地證實生物學決定論的假設。不幸的是，可能還需要很長時間，火星探測任務才能足夠先進，以至於能夠尋找火星生命形式，並且如果它們確實存在，能夠詳細研究這種地外生物群。
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然而，可能有一種更簡單的生物學決定論測試方法。沒有哪個行星比地球本身更像地球，因此，如果生命確實很容易在地球條件下出現，那麼它可能在我們的家園星球上形成了多次。為了追求這種誘人的可能性，科學家們已經開始在沙漠、湖泊和洞穴中尋找“外星”生命形式的證據——這些生物將與所有已知的生物截然不同，因為它們是獨立產生的。這些生物很可能是微觀的，因此研究人員正在設計測試方法來識別可能生活在我們中間的奇異微生物。
科學家們尚未就生命的嚴格定義達成共識，但大多數人會同意，生命的兩個標誌是代謝能力（從環境中獲取營養，將這些營養轉化為能量並排出廢物）和繁殖能力。正統的生物發生觀點認為，如果地球上的生命不止一次起源，那麼一種形式會迅速佔據主導地位並消滅所有其他形式。例如，如果一種形式迅速佔用了所有可用資源，或者透過專門與其同類交換成功的基因來“結夥”對抗較弱的生命形式，則可能發生這種滅絕。但這種論點是站不住腳的。細菌和古菌是兩種非常不同的微生物，它們起源於三十多億年前的共同祖先，但此後一直和平共處，沒有一方消滅另一方。此外，另類的生命形式可能沒有與已知的生物直接競爭，要麼是因為外星人佔據了熟悉的微生物無法生存的極端環境，要麼是因為這兩種生命形式需要不同的資源。
外星生命存在的論據
即使另類生命現在不存在，它也可能在遙遠的過去蓬勃發展，然後因某種原因而滅絕。在這種情況下，科學家們可能仍然能夠在地質記錄中找到它們已滅絕生物學的標記。例如，如果另類生命具有明顯不同的代謝方式，那麼它可能會以已知生物的活動無法解釋的方式改變岩石或產生礦藏。以獨特的有機分子形式存在的生物標誌物，這些分子不可能是由熟悉的生命創造的，甚至可能隱藏在古代微化石中，例如在太古代（超過25億年前）的岩石中發現的那些微化石。
一種更令人興奮但也更具推測性的可能性是，另類生命形式已經存活下來，並且仍然存在於環境中，構成了一種陰影生物圈，這個術語是由科羅拉多大學博爾德分校的卡羅爾·克萊蘭和雪萊·科普利創造的。乍一看，這個想法可能看起來很荒謬；如果外星生物就在我們眼皮底下（甚至在我們的鼻子裡）蓬勃發展，科學家們難道不早就發現它們了嗎？事實證明，答案是否定的。絕大多數生物都是微生物，僅僅透過顯微鏡觀察它們幾乎不可能分辨出它們是什麼。微生物學家必須分析生物的基因序列，以確定它在生命之樹上的位置——所有已知生物的系統發育分組——而研究人員只對所有觀察到的微生物中的極小一部分進行了分類。
可以肯定的是，迄今為止詳細研究的所有生物幾乎可以肯定都來自共同的起源。已知生物共享相似的生物化學，並使用幾乎相同的遺傳密碼，這就是為什麼生物學家可以對它們的基因進行測序並將它們定位在同一棵樹上。但是，研究人員用來分析新發現生物的程式是有意定製的，目的是檢測我們所知的生命。這些技術將無法正確響應不同的生物化學。如果陰影生命僅限於微生物領域，那麼科學家們完全有可能忽略了它。
生態隔離的外星生物
今天，研究人員可能在哪裡尋找地球上的外星生物？一些科學家專注於尋找佔據生態隔離的生態位的生物，這些生態位超出了普通已知生命的範圍。近年來令人驚訝的發現之一是已知生命在極其惡劣條件下生存的能力。人們已經發現微生物居住在從滾燙的火山噴口到南極洲乾燥山谷的極端環境中。其他所謂的嗜極生物可以在鹽飽和的湖泊、受金屬汙染的高度酸性礦山尾礦和核反應堆的廢水中生存。
然而，即使是最頑強的微生物也有其極限。我們所知的生命至關重要地依賴於液態水的存在。在智利北部的阿塔卡瑪沙漠中，有一個地區非常乾燥，以至於所有熟悉的生命的痕跡都消失了。此外，儘管某些微生物可以在高於水的正常沸點的溫度下茁壯成長，但科學家們尚未發現任何生物在約130攝氏度（266華氏度）以上的溫度下生存。然而，可以想象，一種奇異的另類生命形式可能在更極端的乾燥或溫度條件下存在。
因此，科學家們可能會透過在生態隔離區域發現生物活動的跡象來找到另類生命的證據，例如地面和大氣層之間碳的迴圈。尋找這種不相連的生態系統的明顯地點是在地球地殼的深層地下、高層大氣、南極洲、鹽礦以及受金屬和其他汙染物汙染的地點。或者，研究人員可以在實驗室實驗中改變溫度和溼度等引數，直到所有已知的生命形式都滅絕；如果某些生物活動持續存在，這可能是陰影生命在起作用的跡象。科學家們使用這種技術發現了抗輻射細菌耐輻射奇異球菌，它可以承受比對人類致命的伽馬射線劑量高1000倍的劑量。事實證明，耐輻射奇異球菌和研究人員已經鑑定的所有其他所謂的嗜輻射生物都與已知的生命在基因上相關聯，因此它們不是候選外星生物，但這一發現並未排除以這種方式發現另類生命形式的可能性。
研究人員已經確定了少數幾個似乎與生物圈其餘部分幾乎完全隔離的生態系統。這些微生物群落位於地下深處，與光、氧氣和其他生物的有機產物隔絕。它們依靠某些微生物利用化學反應或放射性釋放的二氧化碳和氫氣進行代謝、生長和繁殖的能力來維持生命。儘管迄今為止在這些生態系統中發現的所有生物都與生活在表面的微生物密切相關，但對地球深層地下的生物學探索仍處於起步階段，可能還有許多驚喜等待著我們。綜合海洋鑽探計劃一直在從海底取樣岩石，深度接近一公里，部分目的是探索其微生物含量。陸地上的鑽孔揭示了來自更深位置的生物活動跡象。然而，到目前為止，研究界尚未開展系統性、大規模的計劃來探測地球地殼深層地下是否存在生命。
生態整合的外星生物
人們可能會認為，如果另類生命形式不是孤立的，而是融入到我們周圍已知的生物圈中，那麼更容易找到它們。但是，如果陰影生命僅限於與熟悉的種類混雜在一起的外星微生物，那麼這些奇異的生物在隨意檢查時將很難被發現。微生物形態是有限的——大多數微生物只是小球體或桿狀體。然而，外星生物可能會在生物化學上脫穎而出。尋找它們的一種方法是猜測可能涉及哪些另類化學物質，然後尋找其獨特的特徵。
一個簡單的例子涉及手性。大型生物分子具有確定的手性：儘管分子中的原子可以配置成兩種映象方向——左手性或右手性——但分子必須具有相容的手性才能組裝成更復雜的結構。在已知的生命形式中，氨基酸——蛋白質的組成部分——是左手性的，而糖是右手性的，DNA是右手性的雙螺旋結構。然而，化學定律對左和右是視而不見的，因此，如果生命再次從零開始，那麼它的組成部分有50%的機率是相反手性的分子。陰影生命在原則上可能在生物化學上與已知生命幾乎相同，但由映象分子組成。這種映象生命不會與已知生命直接競爭，兩種形式也不能交換基因，因為相關的分子將無法互換。
幸運的是，研究人員可以使用非常簡單的程式來識別映象生命。他們可以製備一種營養液，其中完全由標準培養基中通常包含的分子的映象組成；映象生物可能能夠津津有味地消耗這種混合物，而已知的生命形式會覺得它難以下嚥。美國宇航局馬歇爾太空飛行中心的理查德·胡佛和埃琳娜·皮庫塔最近進行了一項此類初步實驗，將各種新發現的嗜極生物放入映象培養液中，然後尋找生物活動。他們發現了一種在培養液中生長的微生物，這種生物被稱為多食厭氧菌，是從加利福尼亞州一個鹼性湖泊的沉積物中分離出來的。令人失望的是，這種生物並沒有被證明是映象生命的例子；相反，它是一種細菌，具有令人驚訝的能力，可以化學改變錯誤手性的氨基酸和糖，使其易於消化。然而，這項研究只考察了微生物領域的一小部分。
另一種可能性是，陰影生命可能與熟悉的生命共享相同的通用生物化學，但使用不同的氨基酸或核苷酸（DNA的組成部分）套件。所有已知的生物都使用相同的核苷酸集——以其獨特的鹼基（腺嘌呤、胞嘧啶、鳥嘌呤和胸腺嘧啶）指定為A、C、G和T——來儲存資訊，並且（極少數例外）使用相同的20種氨基酸來構建蛋白質，蛋白質是細胞的工作機器。遺傳密碼基於核苷酸三聯體，不同的三聯體拼寫出不同氨基酸的名稱。基因中三聯體的序列決定了必須串聯在一起以構建特定蛋白質的氨基酸序列。但是化學家可以合成許多其他氨基酸，這些氨基酸不存在於已知的生物中。默奇森隕石是一顆彗星殘骸，於1969年墜落在澳大利亞，它包含許多常見的氨基酸，但也包含一些不尋常的氨基酸，例如異纈氨酸和假亮氨酸。（科學家們不確定隕石中的氨基酸是如何形成的，但大多數研究人員認為這些化學物質不是由生物活動產生的。）其中一些不熟悉的氨基酸可能成為另類生命形式的合適組成部分。為了尋找此類外星生物，研究人員需要識別一種不被任何已知生物使用，也不作為生物代謝或衰變的副產品產生的氨基酸，並在環境中尋找它的存在，無論是在活微生物中，還是在可能由陰影生物圈產生的有機碎屑中。
為了幫助集中搜索，科學家們可以從蓬勃發展的合成或人工生命領域中獲取線索。生物化學家目前正試圖透過將額外的氨基酸插入蛋白質來工程化全新的生物。這項研究的先驅，佛羅里達州蓋恩斯維爾應用分子進化基金會的史蒂夫·本納指出，被稱為α-甲基氨基酸的一類分子對於人工生命來說很有前景，因為它們可以正確摺疊。然而，在迄今為止研究的任何天然生物中都沒有發現這些分子。隨著研究人員識別出新的微生物，使用質譜分析蛋白質成分等標準工具來了解生物含有哪些氨基酸將是一件相對簡單的事情。庫存中任何明顯的異常都將表明該微生物可能是陰影生命的候選者。
如果這種策略成功，研究人員將面臨確定他們處理的是真正來自獨立起源的另類生命形式，還是僅僅是已知生命的新領域，例如古菌，古菌直到1970年代後期才被識別出來。換句話說，科學家如何確定看起來像生命之樹的新樹實際上不是已知樹的未被發現的分支，該分支在很久以前就分裂出來，並且到目前為止一直逃脫了我們的注意？在所有可能性中，最早的生命形式與後來的生命形式截然不同。例如，用於指定特定氨基酸的複雜的DNA三聯體密碼顯示出透過進化選擇最佳化其效率的證據。這種觀察表明存在更原始的前體，例如僅使用10種而不是20種氨基酸的雙聯體密碼。可以想象，一些原始生物今天仍在沿用舊的前體密碼。這種微生物不會是真正的外星生物，而更像是活化石。然而，它們的發現仍然具有巨大的科學意義。另一種可能從早期生物學時代遺留下來的遺留物是使用RNA代替DNA的微生物。
如果考慮對已知生物化學更根本的替代方案，那麼將單獨的生命之樹與我們自身樹的未被發現的分支混淆的可能性就會降低。天體生物學家推測了某些溶劑（例如乙烷或甲烷）取代水的生命形式，儘管很難在地球上找到任何可以支援任何建議物質的環境。（乙烷和甲烷只有在非常寒冷的地方（如土星最大的衛星泰坦的表面）才呈液態。）另一個流行的猜想涉及構成已知生物重要組成部分的基本化學元素：碳、氫、氧、氮和磷。如果用不同的元素代替這五個元素中的一個，生命是否有可能存在？
磷在某些方面對生命來說是有問題的。它相對稀有，並且在地球早期歷史盛行的條件下，不會以容易獲得的、可溶的形式大量存在。前亞利桑那州立大學，現哈佛大學的費利薩·沃爾夫-西蒙假設，砷可以成功地取代磷在生物體中的作用，並且在古代環境中會提供獨特的化學優勢。例如，除了像磷一樣在結構鍵合和能量儲存方面發揮作用外，砷還可以提供驅動新陳代謝的能量來源。（砷對常規生命有毒，正是因為它能很好地模擬磷。同樣，磷對以砷為基礎的生物也是有毒的。）以砷為基礎的生命是否仍然潛伏在貧磷和富砷的口袋中，例如海底噴口和溫泉？
另一個重要的變數是大小。所有已知的生物都使用稱為核糖體的巨大分子機器從氨基酸中製造蛋白質，核糖體將氨基酸連線在一起。容納核糖體的需要要求我們生命之樹上的所有自主生物都必須至少有幾百奈米（十億分之一米）寬。病毒要小得多——小到只有20奈米寬——但這些介質不是自主生物，因為它們在沒有它們感染的細胞的幫助下無法繁殖。由於這種依賴性，病毒不能被認為是另類生命形式，也沒有任何證據表明它們來自獨立的起源。但是多年來，一些科學家聲稱生物圈中充滿了太小而無法容納核糖體的細胞。1990年，德克薩斯大學奧斯汀分校的羅伯特·福克提請人們注意在義大利維泰博溫泉中發現的沉積岩中的微小球形和卵形物體。福克提出，這些物體是化石化的“奈米細菌”（他更喜歡這種拼寫），是小到30奈米寬的生物的鈣化遺骸。最近，昆士蘭大學的菲利帕·尤因斯在西澳大利亞海岸附近深海鑽孔的岩石樣本中發現了類似的結構。如果這些結構確實是由生物過程產生的——許多科學家對此論點表示強烈反對——那麼它們可能是另類生命形式的證據，這些生命形式不使用核糖體來組裝它們的蛋白質，因此逃避了適用於已知生命的下限尺寸。
也許最有趣的可能是外星生命形式居住在我們自己的體內。1988年，芬蘭庫奧皮奧大學的奧拉維·卡亞德和他的同事們用電子顯微鏡觀察哺乳動物細胞時，在許多細胞內部觀察到了超微顆粒。這些顆粒的尺寸小至50奈米，約為傳統小細菌尺寸的十分之一。十年後，卡亞德和他的同事們提出，這些顆粒是活的生物，它們在尿液中茁壯成長，並透過在自身周圍沉澱鈣和其他礦物質來誘導腎結石的形成。儘管這種說法仍然存在爭議，但可以想象，至少其中一些微型生命形式是採用完全另類生物化學的外星生物。
生命究竟是什麼？
如果發現一種生物化學上怪異的微生物，那麼它作為第二次起源的證據，而不是我們自身生命之樹上的新分支的地位，將取決於它與已知生命的區別有多大。然而，在不瞭解生命是如何開始的情況下，對於這種區別沒有明確的標準。例如，一些天體生物學家推測了生命可能從矽化合物而不是碳化合物中產生的可能性。由於碳在我們生物化學中如此重要，因此很難想象基於矽和碳的生物可能來自共同的起源。另一方面，如果一種生物採用與已知生命形式相同的核苷酸和氨基酸套件，但僅僅使用不同的遺傳密碼來指定氨基酸，則不會為獨立起源提供強有力的證據，因為這些差異很可能可以透過進化漂變來解釋。
反之亦然的問題也存在：暴露於相似環境挑戰的不同生物通常會在其特性上逐漸趨同，這些特性將針對在現有條件下茁壯成長進行最佳化。如果這種進化趨同足夠強大，它可能會掩蓋獨立生物發生事件的證據。例如，氨基酸的選擇可能已透過進化最佳化。開始使用不同氨基酸集的外星生命隨後可能會隨著時間的推移進化為採用與熟悉的生命形式相同的集合。
確定生物是否是外星生物的難度因存在兩種相互競爭的生物發生理論而加劇。第一種是生命始於突然而獨特的轉變，類似於物理學中的相變，可能是當系統達到一定的化學複雜性閾值時觸發的。該系統不必是單個細胞。生物學家提出，原始生命是從一個細胞群落中產生的，該群落交易物質和資訊，而細胞自主性和物種個體化是後來才出現的。另一種觀點是，從化學到生物學存在一個平滑的、擴充套件的連續統，沒有明確的界限可以被識別為生命的起源。
如果生命（眾所周知，生命很難定義）被認為是一個具有某種屬性的系統——例如儲存和處理某些型別資訊的能力——這標誌著從非生物領域到生物領域的明確轉變，那麼談論一個或多個生命起源事件將是有意義的。然而，如果生命被弱定義為類似有組織的複雜性，那麼生命的根源可能會無縫地融入一般複雜化學的領域。除非兩種型別的生物體相距甚遠以至於它們不可能接觸（例如，如果它們位於不同恆星系統的行星上），否則證明不同生命形式的獨立起源將是一項艱鉅的任務。
顯然，我們只採樣了地球微生物種群的一小部分。每一項發現都帶來了驚喜，並迫使我們擴充套件了我們對生物學上可能的概念。隨著更多地球環境的探索，似乎很有可能發現新的和更奇特的生命形式。如果這項搜尋要揭示第二次起源的證據，那將有力地支援生命是一種宇宙現象的理論，並使我們更有理由相信我們在宇宙中並不孤單。