大多數科學家長期以來都認為地球上的生命是一種本土現象。根據傳統的假設，最早的活細胞是數十億年前在我們星球上透過化學演化產生的，這個過程被稱為自然發生。另一種可能性——活細胞或它們的前體來自太空——在許多人看來是科幻小說。然而，過去十年的發展為地球生物圈可能源於外星種子的觀點賦予了新的可信度。
行星科學家已經瞭解到，在太陽系早期歷史中，可能包括許多擁有液態水的世界，液態水是生命存在的必要成分。美國宇航局的火星探測漫遊者最近的資料證實了之前的懷疑，即水在過去至少間歇性地在紅色星球上流動過。假設很久以前火星上存在生命，甚至現在仍然存在，並非不合理。生命也可能在木星的第四大衛星歐羅巴上進化出來，歐羅巴表面之下似乎存在液態水。土星最大的衛星泰坦富含有機化合物；考慮到該衛星的寒冷溫度，在那裡發現生命形式將是非常令人驚訝的，但不能排除這種可能性。生命甚至可能在炎熱的金星上獲得立足之地。金星表面可能太熱，大氣壓力也太大，不適合居住，但該行星可能在高層大氣中支援微生物生命。而且，最有可能的是，金星表面的條件並非一直如此惡劣。金星可能曾經與早期的地球相似。
此外，行星際空間的廣闊範圍並非曾經認為的那麼令人望而卻步的障礙。在過去的 20 年裡，科學家們已經確定，根據一些岩石中捕獲的氣體成分，地球上發現的 30 多顆隕石最初來自火星地殼。與此同時，生物學家發現了足夠耐受的生物體，可以在這些隕石內部的短途旅行中倖存下來。雖然沒有人暗示這些特定的生物體實際上進行了這次旅行，但它們可以作為原理證明。生命可能起源於火星，然後來到地球，或者反之，並非不可能。研究人員現在正在深入研究行星之間生物物質的運輸，以更好地瞭解它是否曾經發生過。這項努力可能會揭示現代科學中一些最引人入勝的問題：生命起源於何處和如何起源？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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從哲學到實驗室
對於古代哲學家來說，從非生物物質中創造生命似乎如此神奇，如此屬於神祇的領域，以至於有些人實際上更傾向於現成的生命形式來自地球以外的想法。公元前 2500 年居住的希臘哲學家阿那克薩哥拉斯提出了一個名為“泛種論”（希臘語為“所有種子”）的假設，該假設認為所有生命，實際上是所有事物，都起源於遍佈宇宙的微小種子的組合。在現代，包括英國物理學家開爾文勳爵、瑞典化學家斯萬特·阿倫尼烏斯和 DNA 結構的共同發現者弗朗西斯·克里克在內的幾位傑出科學家都提倡過各種泛種論的概念。可以肯定的是，這個想法也有不太有聲望的支持者，但他們不應 detract 泛種論是一個嚴肅的假設這一事實，當我們考慮生命在宇宙中的分佈和進化以及生命如何在地球上具體存在時，我們不應忽視這種潛在的現象。
地球的生物圈可能源於外星種子。
現代形式的泛種論假設解決了生物物質可能如何到達我們星球的問題，但沒有解決生命最初是如何起源的問題。無論生命在哪裡開始，都必須從非生物物質中產生。自然發生從哲學領域轉移到實驗領域是在 20 世紀 50 年代，當時芝加哥大學的化學家斯坦利·L·米勒和哈羅德·C·尤里證明，氨基酸和其他對生命重要的分子可以從早期地球上被認為存在的簡單化合物中生成。[中斷]
在當今的細胞中，專門的 RNA 分子有助於構建蛋白質。一些 RNA 充當基因（由脫氧核糖核酸 (DNA) 組成）和核糖體（細胞的蛋白質工廠）之間的信使。其他 RNA 將氨基酸（蛋白質的構建塊）帶到核糖體，而核糖體又包含另一種 RNA。RNA 與蛋白質酶協同工作，蛋白質酶有助於將氨基酸連線在一起，但研究人員發現核糖體中的 RNA 可以單獨執行蛋白質合成的關鍵步驟。在生命進化的早期階段，所有酶都可能是 RNA，而不是蛋白質。因為 RNA 酶可以在沒有預先存在的蛋白質酶來啟動過程的情況下製造出第一批蛋白質，所以自然發生不再是曾經被認為是先有雞還是先有蛋的問題。RNA 和蛋白質的益生元系統可能逐漸發展出複製其分子部分的能力，最初很粗糙，但後來變得越來越有效。
對生命起源的這種新理解改變了關於泛種論的科學辯論。這不再是一個非此即彼的問題，即第一批微生物是在地球上產生的還是來自太空。在太陽系早期的混亂歷史中，我們的星球受到了包含簡單有機化合物的隕石的強烈轟擊。年輕的地球也可能接收到具有酶功能的更復雜的分子，這些分子是益生元的，但屬於已經走上生物學道路的系統的一部分。在地球上合適的棲息地著陸後，這些分子可能繼續進化成活細胞。換句話說，一種中間情景是可能的：生命可能在地球和太空都有根源。但是生命發展的哪些步驟發生在何處？一旦生命紮根，它又傳播了多遠？
研究泛種論的科學家過去只專注於評估這個想法的基本合理性，但他們最近試圖估計生物物質從其他行星或衛星到達地球的可能性。為了開始他們的行星際旅行，這些物質必須透過彗星或小行星的撞擊從它們的起源行星噴射到太空。在太空中旅行時，噴射出的岩石或塵埃粒子需要被另一個行星或衛星的引力捕獲，然後減速到足以落到表面，如果存在大氣層，則穿過大氣層。這種轉移在整個太陽系中頻繁發生，儘管噴射出的物質更容易從遠離太陽的天體傳播到更近的天體，也更容易到達質量更大的天體。事實上，不列顛哥倫比亞大學天體物理學家佈雷特·格拉德曼的動態模擬表明，從地球轉移到火星的質量僅為從火星傳遞到地球的質量的幾個百分點。因此，最常討論的泛種論情景涉及微生物或其前體從火星到地球的運輸。
對小行星或彗星撞擊火星的模擬表明，物質可以發射到各種各樣的軌道上。格拉德曼和他的同事估計，每隔幾百萬年，火星就會經歷一次威力足以噴射出最終可能到達地球的岩石的撞擊。行星際旅程通常很漫長：每年降落在地球上的大約一噸火星噴射物大部分都在太空中度過了數百萬年。但是，到達地球表面的火星岩石中，有極小一部分——大約每 1000 萬塊中有一塊——在太空中度過的時間不到一年。在撞擊事件發生後的三年內，大約 10 塊拳頭大小、重量超過 100 克的岩石完成了從火星到地球的航行。較小的碎片，例如卵石大小的岩石和塵埃顆粒，更可能在行星之間快速旅行；非常大的岩石這樣做頻率要低得多。[中斷]
生物實體能否在這次旅程中倖存下來？首先，讓我們考慮一下微生物是否能在隕石母體的噴射過程中存活下來。最近的實驗室撞擊實驗發現，某些細菌菌株可以承受在典型的火星高壓噴射過程中遇到的加速度和急動（加速度變化率）。然而，至關重要的是，撞擊和噴射不會將隕石加熱到足以破壞其中生物物質的程度。
行星地質學家以前認為，任何速度超過火星逃逸速度的撞擊噴射物幾乎肯定會被汽化，或者至少完全熔化。然而，在發現來自月球和火星的未熔化、基本完好的隕石後，這個想法後來被否定了。這些發現促使亞利桑那大學的 H·傑·梅洛什計算出，一小部分噴射出的岩石確實可以透過撞擊從火星彈射出來，而根本不會發生任何加熱。簡而言之，梅洛什提出，當撞擊產生的向上傳播的壓力波到達行星表面時，它會經歷 180 度的相位變化，幾乎抵消了表面下方薄薄一層岩石內部的壓力。由於這個“剝落區”在下層受到巨大壓力時幾乎沒有受到壓縮，因此靠近表面的岩石可以相對不變形地以高速噴射出來。
接下來，讓我們考慮一下進入地球大氣層期間的生存能力。芝加哥大學恩里科·費米研究所的前愛德華·安德斯已經表明，行星際塵埃粒子在地球高層大氣中緩慢減速，從而避免了加熱。相比之下，隕石會經歷明顯的摩擦，因此它們的表面通常會在穿過大氣層時熔化。然而，熱脈衝有時間最多傳播幾毫米到隕石內部，因此埋在岩石深處的生物體肯定會存活下來。
在過去五年中，我們（韋斯）及其同事發表的一系列論文分析了兩種型別的火星隕石：鈉鈣無球粒隕石，這是一組 1100 萬年前由小行星或彗星撞擊火星而噴射出的岩石，以及 ALH84001，它在 400 萬年前離開了紅色星球。（ALH84001 在 1996 年出名，當時由美國宇航局約翰遜航天中心的戴維·麥凱領導的一組科學家聲稱，這塊岩石顯示出類似於地球細菌的化石微生物的痕跡；十年後，研究人員仍在爭論這顆隕石是否包含火星生命的證據。）透過研究隕石的磁性以及其中捕獲的氣體成分，韋斯及其合作者發現，ALH84001 和迄今為止發現的七顆鈉鈣無球粒隕石中的至少兩顆自成為火星表面的一部分以來，升溫不超過幾百度攝氏度。此外，鈉鈣無球粒隕石几乎是原始岩石，沒有受到高壓衝擊波的影響，這一事實意味著火星撞擊沒有將它們加熱到 100 攝氏度以上。
許多，但並非全部，陸地原核生物（簡單的單細胞生物，如缺乏膜結合細胞核的細菌）和真核生物（具有明確細胞核的生物）都可以在這個溫度範圍記憶體活。這個結果是第一個直接的實驗證據，證明物質可以在行星之間傳播，而不會在從噴射到著陸的任何時候被熱滅菌。
輻射問題
然而，為了使泛種論發生，微生物不僅需要從第一個行星噴射出來並在進入第二個行星的大氣層中倖存下來，還需要在行星際航行中倖存下來。攜帶生命的流星體和塵埃粒子將暴露在太空真空、極端溫度和幾種不同型別的輻射中。特別令人擔憂的是太陽的高能紫外線 (UV)，它會破壞將有機分子的碳原子結合在一起的鍵。然而，很容易遮蔽紫外線；只需幾百萬分之一米的 opaque 材料就足以保護細菌。[中斷]
事實上，一項使用美國宇航局長期暴露設施 (LDEF) 的歐洲研究表明，薄薄的鋁製外殼為細菌物種枯草芽孢桿菌的孢子提供了足夠的紫外線遮蔽。LDEF 是 1984 年由太空梭部署的衛星，並在六年後的軌道上被太空梭回收。在受鋁保護但暴露於太空真空和極端溫度的孢子中，80% 仍然具有活力——研究人員在任務結束時將它們重新啟用為活性細菌細胞。至於未被鋁覆蓋並因此直接暴露於太陽紫外線輻射的孢子，大多數被摧毀，但並非全部。大約萬分之一的未遮蔽孢子保持活力，並且葡萄糖和鹽等物質的存在提高了它們的存活率。即使在像塵埃粒子這樣小的物體內部，太陽紫外線也不一定會使整個微生物菌落無菌。如果菌落位於像鵝卵石一樣大的物體內部，紫外線防護將大大增強。
LDEF 研究雖然資訊豐富，但它是在低地球軌道上進行的，完全在地球保護性磁場內。因此，這項研究無法說明行星際帶電粒子的影響，行星際帶電粒子無法穿透地球磁層。太陽不時產生高能離子和電子爆發；此外，帶電粒子是不斷轟擊我們太陽系的銀河宇宙射線的主要成分。保護生物免受帶電粒子以及伽馬射線等高能輻射的影響比遮蔽紫外線要棘手得多。一層只有幾微米厚的岩石可以阻擋紫外線，但增加更多的遮蔽實際上會增加其他型別輻射的劑量。原因是帶電粒子和高能光子與岩石遮蔽材料相互作用，在隕石內部產生次級輻射陣雨。
除非岩石非常大，直徑約為兩米或更大，否則這些陣雨可能會到達岩石內部的任何微生物。然而，正如我們在上面指出的，大型岩石非常不頻繁地進行快速行星際航行。因此，除了紫外線防護外，真正重要的是微生物對所有太空輻射成分的抵抗力以及攜帶生命的隕石從一個行星到另一個行星的移動速度。旅程越短，總輻射劑量越低，因此存活的機會越大。
事實上，枯草芽孢桿菌在輻射抗性方面相當強大。更耐寒的是耐輻射奇異球菌，這是一種細菌物種，是農業科學家亞瑟·W·安德森在 20 世紀 50 年代發現的。這種生物體可以在食品消毒的輻射劑量下存活，甚至在核反應堆內部茁壯成長。幫助耐輻射奇異球菌修復其 DNA、構建超厚細胞壁以及以其他方式保護自身免受輻射的相同細胞機制也可以減輕脫水造成的損害。從理論上講，如果具有這種能力的生物體被嵌入從火星彈射出的物質中，就像鈉鈣無球粒隕石和 ALH84001 顯然是那樣（即，沒有過度加熱），那麼一部分生物體在行星際空間中度過多年，甚至幾十年後，仍然具有活力。
然而，活性生物體、孢子或複雜有機分子在地球磁層之外的實際長期生存從未經過測試。此類實驗，即將生物材料置於模擬隕石材料中，並將它們暴露於行星際空間環境中，可以在月球表面進行。事實上，生物樣品被攜帶在阿波羅登月任務中，作為歐洲輻射研究早期化身的一部分。然而，最長的阿波羅任務持續時間不超過 12 天，樣品儲存在阿波羅飛船內，因此沒有暴露於完整的太空輻射環境。未來，科學家可以將實驗包放置在月球表面或行星際軌道上幾年，然後再將它們返回地球進行實驗室分析。研究人員目前正在考慮這些方法。[中斷]
與此同時，一項名為火星輻射環境實驗 (MARIE) 的長期研究正在進行中。MARIE 由美國宇航局於 2001 年發射，作為火星奧德賽軌道器的一部分，其儀器正在測量當航天器圍繞紅色星球執行時銀河宇宙射線和高能太陽粒子的劑量。雖然 MARIE 不包含生物材料，但其感測器旨在關注對 DNA 最有害的太空輻射範圍。
未來研究
正如我們所展示的，泛種論在理論上是合理的。此外，該假設的重要方面已經從合理性過渡到定量科學。隕石證據表明，在太陽系的歷史中，行星之間一直在進行物質轉移，而且這個過程仍然以既定的速度發生。此外，實驗室研究表明，從火星大小的行星噴射出的一塊行星物質中的相當一部分微生物可以在噴射到太空和進入地球大氣層中倖存下來。但是泛種論假設的其他部分更難確定。研究人員需要更多資料來確定像枯草芽孢桿菌或耐輻射奇異球菌這樣的抗輻射生物體是否能在行星際旅程中存活下來。即使是這項研究也無法揭示地球生物圈實際發生的可能性，因為這些研究涉及當今的陸地生命形式；數十億年前生活的生物體可能表現得更糟或更好。
此外，科學家無法量化生命在地球以外的行星上存在或曾經存在的可能性。研究人員對任何生命系統的起源知之甚少，包括地球的生命系統，無法就自然發生在任何特定世界上發生的可能性得出可靠的結論。如果有合適的成分和條件，也許生命需要數億年才能開始。或者也許五分鐘就足夠了。我們唯一可以肯定地說的是，在 27 億年前，或者可能在更早的數億年前，生命形式在地球上蓬勃發展。
由於目前不可能量化泛種論情景的所有步驟，因此研究人員無法估計在給定時期內最有可能到達地球表面的生物物質量或活細胞數量。此外，可行生物體的轉移並不自動意味著接收它們的行星的成功播種，特別是如果該行星已經有生命。例如，如果在地球上獨立產生生命後，火星微生物到達地球，那麼外星生物可能無法取代或與本土物種共存。火星生命也可能在地球上找到了合適的生態位，但科學家們只是尚未識別出來。研究人員對地球上細菌物種總數的清點不超過百分之幾。與地球已知生命在基因上無關的生物群可能就在我們眼皮底下未被識別地存在著。
最終，科學家可能無法知道泛種論是否發生以及在多大程度上發生，直到他們在另一個行星或衛星上發現生命。例如，如果未來的太空任務在紅色星球上發現生命，並報告說火星生物化學與我們自己的生物化學非常不同，那麼研究人員將立即知道地球上的生命不是來自火星。然而，如果生物化學相似，科學家們可能會開始懷疑這兩個生物圈是否具有共同的起源。假設火星生命形式使用 DNA 來儲存遺傳資訊，研究人員可以研究核苷酸序列來解決這個問題。如果火星 DNA 序列沒有遵循地球上活細胞用來製造蛋白質的相同遺傳密碼，研究人員將得出結論，火星-地球泛種論是值得懷疑的。但是還有許多其他情景是可能的。研究人員可能會發現火星生命使用 RNA 或其他完全不同的東西來指導其複製。事實上，地球上尚未被發現的生物體也可能屬於這一類，而這些奇異的陸地生物可能被證明與火星生命形式有關。[中斷]
無論陸地生命是在地球上出現，還是透過來自太空的生物播種，還是作為某種中間情景的結果出現，答案都將是有意義的。火星-地球泛種論的證實將表明，生命一旦開始，就可以很容易地在恆星系統中傳播。另一方面，如果研究人員發現火星生物體獨立於陸地生命而出現的證據，那將表明自然發生可以在整個宇宙中輕鬆發生。更重要的是，生物學家將能夠將地球生物體與外星形式進行比較，並制定更普遍的生命定義。我們將最終開始理解生物學定律，就像我們理解化學和物理定律一樣——作為自然的本質屬性。