生命是怎樣誕生和進化的呢？地球外的宇宙存在嗎？對於這些問題，人類至今還不清楚。美國航空航天局主導開創了「宇宙生物學」學科，在一個廣闊的範圍內對生命起源與進化進行研究。

什麼是宇宙生物學

20世紀，有關宇宙或地球的起源等研究飛速推進。距今約150億年前，宇宙從超高溫、高密度的大爆炸中開始，其後在一邊膨脹、一邊冷卻的過程中製造了群星。在銀河系的一角，大約46億年前原始太陽放出光芒，圍著它的氣體及塵埃誕生出無數微行星。微行星通過反覆碰撞與合併，不久地球誕生了。

大約40億年前，最早的生命誕生了。但是，有關最初的生命是什麼東西以及怎樣誕生還不清楚。即與宇宙或地球的起源相比，對生命起源的闡釋可以說最難進行，這是由於宇宙隨著時間的推移一起分化，系統變得複雜的緣故。

構成生命的細胞誕生之前，製造蛋白質或核酸等生命材料物質的階段稱為化學進化。現在，對生命起源的闡釋還停留在化學進化階段如何進行上面。至於生物進化，比較清楚的是出現在距今6億年前後、肉眼可見大小的生物或具有堅硬骨骼的生物，但在那之前的30餘億年間，很多還不清楚。

最有發展前景的是以美國航空航天局為主導的宇宙生物學。所謂宇宙生物學，是從基因水平到銀河系規模綜合地研究生命起源或進化以及生命在宇宙的分布。其目的在於闡明化學進化或生命的誕生空間是在地球還是在宇宙中發生的，地球上的生物圈是怎樣與地球一起進化的，以及地球外的天體是否存在生命等有關生命的眾多的謎。換句話說，科學家正認真地開始回答自有人類以來便一直存在的「人從哪裡來到哪裡去，是孤獨的存在嗎」的疑問。

充滿生命材料的宇宙

地球誕生生命的材料物質原先存在於哪裡？通過近年來的研究，我們知道在宇宙中大量存在能夠構成生命的有機物質材料，它們被包裹在隕石或彗星中，運到地球上來的。

有機物在分子雲中形成。所謂分子雲，是由氫或氦等氣體與塵埃微粒子構成的高密度區域。如果這個區域中進入硅酸鹽等礦物粒子的塵埃，則因-260℃的極低溫使塵埃結冰，並在外面形成包含一氧化碳、甲烷、氨分子的非晶冰。當

其受到紫外線照射時，非晶冰中的分子變成離子或基。如果那個塵埃出現在溫度稍高的低密度雲（-190℃），離子或基結合變成甲醇或甲醛，非晶冰蒸發，形成由碳、氫、氧、氮構成的複雜有機物。模擬實驗確認，形成物中包含了氨基酸及核酸鹽基等對生命而言重要的分子。這時，裹有有機物的部分塵埃可能再次被送回分子雲凍結起來，即構成具有礦物粒子、有機物、非晶冰三重結構的塵埃。

約46億年前，這樣的塵埃分子雲因自身的重力坍縮，誕生了中心是原始太陽、周圍是圓盤狀的原始太陽系星雲。這時靠近原始太陽處的塵埃全被蒸發，但是在距太陽較遠的小行星帶或木星附近，只有冰被蒸發，裹著有機物的礦物塵埃卻倖存下來。其後，原始太陽系星雲開始冷卻，在木星附近的塵埃外面變成凝縮冰的結晶。距太陽十分遙遠處，因溫度幾乎沒有上升，所以分子雲中的塵埃倖存下來，成為彗星的原料。

不久，塵埃經附著、合併變成微行星，微行星不斷碰撞、合併，最終成長為行星。在最遠處構成的微行星（彗星的核）由於木星或土星等大行星的重力作用，被吹到更遠的奧爾特雲附近。同時，作為生命材料的有機物被運送到原始地球上。

衝撞蒸汽雲中進行化學進化

另一方面，在不斷碰撞的過程中，地球上的化學進化開始了，生命也就隨之誕生。

地球誕生後6億年左右，即大約40億年前便是所謂的「巨大隕石的重疊爆炸期」，這是指直徑達100千米的微行星按1000萬年一次的比例發生碰撞。如果微行星以每秒幾十千米的速度沖 撞地球，物質便會被蒸發、熔化或刮跑。在衝撞地點形成直徑約1000千米的隕石坑，周圍的海完全乾涸。這時，蒸發氣體向周圍噴出的部分被稱為衝撞蒸汽雲。

衝撞蒸汽雲不斷擴大，不久地球表面裹上了一層厚厚的大氣。超過500℃的大氣中包含甲烷等還原成分，通過自然放電能量，構成氨基酸或核酸鹽基等低分子的有機物。大氣漸漸冷卻，在衝撞後1000年左右，變成雨落到地上。

雨積存在隕石坑內，構成淺海。因這時地球內部的岩漿還在地下淺處，隕石坑底是熱的，整體構成像溫泉那樣的狀態。在淺的高溫的海中開始進行材料物質的濃縮，相繼把低分子的有機物連接起來，生成蛋白質或核酸等高分子的有機物，並且高分子的有機物一邊相互作用，一邊向具有複製能力的原始細胞發展。

這樣的天體衝撞可以說為生命的誕生創造了最合適的條件，但反過來也是破壞之前已存在的生命的過程。因此，在地球誕生後大約6億年間，生命的誕生和滅絕不斷反覆，而且在巨大隕石的重疊爆炸期結束後不久，誕生了被視為現代生命之祖的最初生命。

30億年來為何藍藻沒有滅絕

藍藻是生物進化上扮演重要作用的生物之一，在30億～27億年前出現。當時的地球大氣以氮為主要成分，氧幾乎不存在。由於藍藻的光合作用，大大改變了地球的大氣環境，形成了可以屏蔽紫外線的臭氧層，使動植物進入陸地成為可能。

從出現到距今7億年前左右，藍藻在地球上取得了優勢，廣泛分布於自寒帶到熱帶的湖泊及海洋，之後逐漸侵入陸地，所以，那個時代理所當然地成為藍藻時代。不久由於肉食動物的出現，藍藻失去優勢地位，但是沒有滅絕，至今還倖存著。在這段時期，藍藻頂住了幾次生物大滅絕事件，不愧是「最終的活化石」。

那麼，何以藍藻沒有滅絕呢？這是因為藍藻在各種環境條件下都能生存。藍藻具備了完全獨立營養生物的特徵，只要有光、水及空氣，就能利用光製造有機物。再者，部分藍藻攝取氮氣製造蛋白質（固氮），即便沒有肥料都能生存。另外，藍藻還可以為適應環境變化而靈活地進行基因重組，所以能夠倖存至今。

7億年前整個地球結冰

生命誕生以來，地球與生物可以說相互影響、一起進化，科學界將此稱為「共進化」。關於共進化，我們將介紹「冰雪地球假說」。

距今7億年前，整個地球被冰河覆蓋，全球結冰。

其最主要的證據便是，當時赤道附近的地層蘊含冰河堆積成雜岩的巨大岩石。另一方面，在全球結冰前，微生物在海洋大量繁殖。原來當時恰逢造山運動活躍時期，大陸或是分離或是合併。在其影響下，岩石斷面因風化掉下的元素流入大海，則海洋中的營養成分（磷等）增加，藍藻等光合成微生物大量繁殖，增加的光合成微生物大量消耗了大氣中的二氧化碳。通常，積存在海底的生物屍骸被分解時，再次產生二氧化碳返回大氣中。但在約7億年前的時代，微生物的屍骸被從大陸流入的岩石覆蓋，能夠返回大氣的二氧化碳銳減，當然氣溫就大幅度降低。

即使海洋表面全被冰封住，地球內部的活動照常進行，通過海底的中央海脊或陸上的火山活動放出的熱或二氧化碳，漸漸地蓄積起來。當超過一定界限時，溫室就開始起作用。隨著冰的融化，之後全球氣溫一下子上升到50℃左右，與全球結冰時的溫度差了近100℃！這樣的結冰與融化在短時間內反覆了幾次。

考慮到全球結冰發生前，地球上已存在微生物或水母的同類等，從冰融化後的地層中發現了最古老的貝類化石及沙蠶之類的化石。不久之後，大約6.5億年前，一種叫做浮游生物的大型動物出現。

地底微生物給外星生命提供線索

迄今為止，生物的主要棲息地還是陸地和海洋。但近幾年的研究發現，原以為沒有生物的地下深處的岩盤中，也存在大量的微生物。

眾所周知，地下的溫度隨著深度增大而不斷上升。科學家認為，微生物最高能耐受約120℃的高溫，由此推斷地下5000米左右是微生物能夠生存的環境。根據計算，在地下有大量的生命存在，大大超過陸地上和整個海洋的生物量。地下生物圈可稱是地球最大的生物圈。

它們生活在地下岩石等的縫隙里，那裡是太陽光完全照不到的地方，也沒有氧氣存在。在那裡，陸地或海洋生物都不能進行光合作用及呼吸。那麼，地下生物是怎樣生息的呢？

科學家說，它們可以進行利用二氧化碳氧化氫的二氧化碳呼吸，或用硫酸氧化甲烷的硫酸呼吸，或用硝酸氧化硫化氫的硝酸呼吸等，來代替氧呼吸。利用這種不需要氧的呼吸得到的化學能量，某些微生物可以從無機物中（二氧化碳）製造有機物，從而獲取進行其他生命活動的能量。這種方法被稱為在地底進行的「黑暗的光合成」。

生活在地下生物圈裡的微生物，在沒有陽光的情況也能生存。通過研究這樣的微生物，我們能夠知道地球上有多種其他生活方式的生物，以及可能存在生命的環境界限，同時也為探討外星生命的可能性提供了線索。

尋找火星曾存在海的證據

我們知道，火星緊挨著地球外側的軌道旋轉，在太陽系中可稱是與地球表層環境最相似的行星。為此，很久以前科學家就在考慮「火星上曾經存在生命，或許現在還存在著」這一問題。火星直徑約是地球的1/2，並裹上薄薄一層以二氧化碳為主要成分的大氣，地表處在平均-50℃以下的低溫狀態。

生命的誕生必須依賴液體水。「全球勘探者」拍攝的照片顯示，火星北極冠有冰存在，這表明現在火星上還存在豐富的水，火星過去或許不像現在那樣寒冷、乾燥，處在更溫暖、濕潤的氣候狀態下，那時地表或許還存在過海。事實上，2004年美國「勇氣」號與「機遇」號火星車發回的照片也顯示，埃爾·卡皮壩地區曾經是海。如果是這樣，誕生生命的可能性很高。

日本東京大學的松井教授試圖「從火星的天體碰撞的現象來尋找證據」，即如果巨大隕石衝撞海洋，則肯定引起巨大海嘯，在海邊或淺海底的巨石被海嘯捲起拋到海岸線上。在地球上，由於地震引發的海嘯拋起的海嘯石殘存在世界各地，大的達到10米。因此松井教授建議，「在今後的火星探測中，應致力於尋找海岸線上到處扔著巨石那樣的地形」。

事實上，最近在火星北半球有可能存在海的一些地方發現了直徑約20千米的隕石坑，從隕石坑的大小推測，衝撞隕石的直徑在幾千米。松井教授期待，「如果海的存在期間有1000萬年以上，則這麼大的隕石衝撞肯定會引起海嘯。通過詳細調查海岸沿線地形，或許能夠發現海存在的證據。」

「卡西尼」探測器在泰坦上發現生命了嗎？

考慮在太陽系內與火星相比存在生命可能性更高的是木星的衛星歐羅巴（木衛二）和土星的衛星泰坦（土衛六）。最近由「伽利略」探測器發回的照片顯示，木衛二的冰層大約有97千米厚，而真正以固態形式存在的只有表面的8千米～16千米，冰層之下是一片汪洋，蘊含的水量可能是地球上的3倍，而汪洋中可能存在生命物質。如果再考慮木衛二受到來自木星的強烈潮汐力作用，內部發熱，所以松井教授推測，「或許像地球的海底存在活火山口一樣，木衛二的海底也會有活火山。火山噴發的熱量足以使某些不需要陽光和空氣的微生物在那裡存活」。

另一方面，泰坦是太陽系衛星中唯一擁有厚厚大氣層的，其大氣的主要成分是氮，還有百分之幾的甲烷，到上空200千米左右就被厚厚的橘紅色雲霧覆蓋，「旅行者」探測器不可能透過大氣層直接看到地表的模樣。但是，考慮到其表層雲霧中包含大量構成生命材料的有機物，松井教授說：「實際上已在實驗室中查明，如果對與泰坦大氣成分相同的氣體提供放電等能量，則會製造出大量高分子的有機物」。

泰坦表面的大氣壓約是地球的1.5倍，溫度約是-180℃，是極寒冷的世界。或許，在它的地表上存在著由甲烷冰構成的大陸以及乙烷海。

泰坦衛星是否存在生命，還需要「卡西尼」和「惠更斯」做出回答。「惠更斯」上搭載的六種探測器，將詳細調查泰坦的大氣結構及成分、大氣運動、雲或氣溶膠粒子的組成等，另外還將獲取地表的溫度、壓力、地形以及海洋等數據。讓我們期待泰坦是否存在生命的重要信息。

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