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42台巨大的射电天文望远镜耸立在加利福尼亚北部灌木丛生的山区，它们组成了松散的“艾伦”望远镜阵列：扫视天空，全神贯注，夜以继日。白色的碟状天线如同一张张没有表情的脸，全体凝视着天外遥不可及的某一点，就像一群渴望回家的外星入侵者在此集结。望远镜阵列属于“搜寻地外文明计划”（SETI）。半个世纪以来，该组织一直致力于扫描太空，寻找地外智慧生命的踪迹，至今仍一无所获。这样的技术，被用来证明一个近乎天真的梦想：我们在宇宙中并不孤独。
即使SETI的望远镜永远找不到地外生命，它的努力仍然很有价值。我们到底在寻找什么？宇宙中其他的智慧生命应该和我们一样使用电磁波吗？它们一定是碳基生命吗？它们是否依赖水和氧气？这些问题，其实不是在思考可能存在的外星生命，而是在思考地球上已知的生命：为什么地球上的生命会是这样？
并非科学家不够努力。一大批诺贝尔奖得主和生物学巨匠都活跃在这个领域，然而以他们的学识和智慧，甚至也远远不能达成共识。40年前分子生物学发端之时，法国生物学家雅克·莫诺在他的名作《偶然性和必然性》中悲叹，生命在地球上的起源是一次异乎寻常的偶然事件，人类在空荡荡的宇宙中绝对孤立。
也有人提出对立的观点：生命是宇宙化学的必然产物。在每颗条件适宜的行星上，生命都会迅速产生。那么，一旦行星上有了生命，接下去又会如何演化呢？科学家们再一次无法达成共识。生命可能受制于有限的系统工程方案，无论始于哪里，演化的路径最终都将汇聚到有限且相似的形式。因为有重力的限制，飞行动物的体重应该较轻，而且都会有类似翅膀的器官。生物应该都由类似细胞的部件组成，依靠这些微小的单元把自身内部环境与外部世界隔离。如果此类约束条件主导着生命的发展，那么，外星生命很可能十分类似于地球生命。另一方面，生命的演化也可能由偶发事件决定。生命是什么样子，可能纯属随机结果，由全球性灾难事件的偶然幸存者决定，比如地球生命史上导致恐龙灭绝的小行星撞击事件。假设我们把时钟拨转到5亿多年前的寒武纪，也就是化石记录中的“生命大爆炸”刚刚发生之时，然后重新开始——那个平行世界会与我们的世界相似吗？也许是巨型章鱼满山乱爬呢。
用望远镜搜索太空的计划，还承担着一个重要的理论目的。在行星生命研究中，我们的地球只是一个孤零零的样本。纯粹从统计角度来看，由于样本空间为1，我们根本无法得出结论，无法确定到底是什么约束着生命的演化。然而，物理学的基本定律适用于整个宇宙，元素的性质和丰度也由此决定，也决定了化学的普适性。
某种意义上，造成这个困局的罪魁是DNA。现代分子生物学，以及随之而来的各种DNA技术，肇因于物理学家薛定谔1944年的著作《生命是什么》。薛定谔在书中提出了两个核心论点：首先，生命以某种方式抵抗着宇宙万物趋于崩坏的趋势，在局部抑制熵增（混乱），以此对抗热力学第二定律；其次，生命能在局部逃避熵增的诀窍隐藏在基因中。他猜测基因物质是某种“非周期性”的晶体，其晶格结构不做精确重复，因此可以作为“代码脚本”——这是该术语首次应用在生物学语境中。薛定谔和同时代的大多数生物学家，都以为这种奇特的“类晶体”是某种蛋白质。此后，分子生物学研究突飞猛进，不到十年时间，克里克和沃森就推导出了DNA的晶体结构。1953年，他们在《自然》杂志上发表了第二篇论文，宣布：“……因此，我们有相当的把握认为，精确的碱基序列就是承载基因信息的代码。”这句话分量千钧，一举成为现代生物学的基石。当代生物学就是信息的科学，主流研究方法是在电子芯片中分析基因组序列，信息转移的概念赋予了生命新的定义。
基因组是通往奇迹世界的大门。堆积如山的代码，单以人类基因组计数，就有30亿个字符之多，读起来像一部后现代小说。人类基因组中只有极少一部分代码（不到2%）为蛋白质编码，更大一部分是基因调控区域。至于剩下的部分是什么，科学家一直为此争论不休。真正重要的事实在于，基因组包含着成千上万个基因的代码，以及更加复杂的基因调控区域。毛虫破茧化蝶，小孩长大成人，其间需要的一切化学物质和信号都由基因组提供、操纵。我们比较动物、植物、真菌和单细胞的阿米巴原虫后发现，其中在发挥作用的是同样的生物过程。我们会在大小和类型差异极大的基因组中发现同一个基因的不同变体，同样的调控因子，同样的“自私”复制因子，以及同样的无意义重复片段。洋葱、小麦和阿米巴原虫比人类拥有更多的DNA和基因。蛙和蝾螈等两栖动物的基因组，大小差异可达两个数量级：某些蝾螈的基因组比人类的大40倍，某些蛙类的基因组不及人类的1/3。如果必须用一句话概括生物基因组的结构限制，那只能说“怎么都行”。
这点非常关键。如果基因组仅仅等同于信息，而基因组的大小和结构又没有根本的限制，那么信息也就没有限制。但这并不意味着基因组完全不受任何限制，有些限制还是很明显的。作用于基因组的力量包括自然选择和另一些随机因素：基因、染色体，乃至整个基因组的偶然复制、倒位、丢失，以及寄生DNA的入侵。所有这些因素加在一起会导致怎样的结果呢？这取决于生态位、物种间的竞争和种群数量等因素。从我们的立场来看，这些因素都是环境的一部分，是不可预测的。如果能夠精确指定环境，我们也许能预测某个物种的基因组大小。但实际状况是，无尽多的物种生存在无限多样的微环境中：小到其他生物的细胞内部，大到人类都市，深至高压的大洋之底。与其说“怎么都行”，不如说“什么都有”。在各种各样的环境中，有多少环境因素作用于基因组，基因组就应该有多少种变化。基因组不能预言未来，只能记载过去。它们反映的是环境历史的影响。
我们的行星已经存在了45亿年。地球诞生之初，太阳系也新生不久，创世的喧嚣逐渐平息，地球在长达7亿年间都承受着陨石大轰炸。
研究者过去认为，最早的大气大多由火山喷出的氧化物构成，大气成分主要有二氧化碳、水蒸气、氮气和二氧化硫。这种混合物的成分与今天的空气大致相似，不同在于前者缺少氧气——直到很久以后，光合作用问世，氧气才丰富起来。偶尔的小行星撞击可能导致部分海洋蒸发，但不太可能影响生活在深海中的任何细菌（如果它们当时已经演化出现）。 最早的生命证据同样薄弱，其中很多都發现于格陵兰岛西南部的伊苏亚和阿基利亚。那里已知最古老的岩石，大约形成于38亿年之前（见下图时间线）。这些证据不是以化石或者活细胞产生的复杂有机分子（即所谓“生物标记”）形态存在的，只是石墨中碳原子的某种非随机积聚。自然界的碳元素以两种稳定的同位素存在，原子质量有细微的差别。
这条时间线上列出了早期演化中的重要事件和大致年代。这些年代中有很多不确定性，存在争议。但绝大部分证据显示细菌和古菌出现于真核生物之前的15亿～20亿年间。
让我们快进几亿年。这个地质时代的生命证据更加可靠，且易于解读。澳大利亚和南非的古老岩石中含有外观非常像细胞的微体化石，虽然不太可能以现代方法为它们分类。这些微小的化石很多都含有暗示生命存在的碳同位素标记，更加稳定、明显。这表明这些微体化石是有秩序的新陈代谢，而不是随机的地热分馏过程造成的。而且，这些岩石中有些结构很像叠层石。叠层石是一种由细菌构成的大型拱状结构，其中单细胞生物层层覆盖生长，掩埋在底部的层级逐渐被矿物质置换，继而变成化石，最终形成奇特的高达一米的叠层石质结构。
这些巨大的沉积构造不仅标志着生命，还揭示了曾经存在的光合作用。那不是我们平日所见的由绿色植物和藻类进行的光合作用，而是一种更简单的初期形式。在所有的光合作用中，光的能量都被用来从供体上剥离电子，然后电子再被“强加”给二氧化碳分子，形成有机分子。不同形式的光合作用使用不同的电子供体，来源各异，最普遍的是溶解态的（二价）铁、硫化氢或者水。各种形式的光合作用中，电子都被转移给二氧化碳，留下“废料”：沉积的铁锈，游离态硫元素（即硫黄）或者氧气。最难对付的供体是水，其能量要求远超其他物质。32亿年前，生命活动从水以外的各种物质中提取电子。正如生物化学家艾伯特·圣哲尔吉的诠释：生命不过是一个电子寻找归宿的过程。光合作用的最终形态（从水中提取电子）是何时产生的，学界还存在很大的争议。一些学者认为这是一起早期演化事件，但目前的证据表明，产氧光合作用出现于29亿～24亿年前，此后不久，地球就爆发了“中年危机”，全球地质和气候大动荡。世界范围的大规模冰川作用导致了雪球地球时期的形成，接下来是大约发生在22亿年前的“大氧化事件”，陆地岩石被广泛氧化——地层中遗留下的铁锈色“红色岩床”证明当时的大气中存在大量氧气。甚至雪球地球本身的形成，也很可能是大气中氧含量上升所致：氧气能够氧化甲烷，把大气中这种强力的温室气体消耗殆尽，从而触发了全球冰冻期。
产氧光合作用的出现，标志着生命的新陈代谢手段已经趋于完备。我们这趟走马观花的早期地球历史追溯之旅，跨越了近20亿年，是整部动物史时长的3倍，不太可能穷尽所有细节。然而，我们应该在此处停留一会儿，思考一下这个大背景反映出的世界本质。首先，生命在地球极早期就已出现，起码是在40亿～35亿年前，而当时的世界是一个类似于当代地球的水世界。其次，35亿～32亿年前，细菌已经发展出几乎所有的新陈代谢形式，包括各种呼吸作用和光合作用。在大约10亿年间，地球都是一口细菌繁盛的大锅，而细菌在生物化学上的创造力令人叹为观止。同位素分馏证据表明，所有主要的营养循环，包括碳循环、氮循环、硫循环、铁循环等，在25亿年前就已经存在。然而直到24亿年前，随着大气氧含量的上升，生命才开始彻底改变我们这颗行星的景观。一度只活跃着细菌的世界，这时才有可能从外太空观察到生命的存在。直到这时，大气才开始积累化学性质活泼的气体，如氧气和甲烷，都由生命细胞不断补充。自此之后，生物才开始显露出行星规模的伟力。
（摘自贵州大学出版社《复杂生命的起源》 作者：[英] 尼克·莱恩 译者：严曦）
即使SETI的望远镜永远找不到地外生命，它的努力仍然很有价值。我们到底在寻找什么？宇宙中其他的智慧生命应该和我们一样使用电磁波吗？它们一定是碳基生命吗？它们是否依赖水和氧气？这些问题，其实不是在思考可能存在的外星生命，而是在思考地球上已知的生命：为什么地球上的生命会是这样？
并非科学家不够努力。一大批诺贝尔奖得主和生物学巨匠都活跃在这个领域，然而以他们的学识和智慧，甚至也远远不能达成共识。40年前分子生物学发端之时，法国生物学家雅克·莫诺在他的名作《偶然性和必然性》中悲叹，生命在地球上的起源是一次异乎寻常的偶然事件，人类在空荡荡的宇宙中绝对孤立。
也有人提出对立的观点：生命是宇宙化学的必然产物。在每颗条件适宜的行星上，生命都会迅速产生。那么，一旦行星上有了生命，接下去又会如何演化呢？科学家们再一次无法达成共识。生命可能受制于有限的系统工程方案，无论始于哪里，演化的路径最终都将汇聚到有限且相似的形式。因为有重力的限制，飞行动物的体重应该较轻，而且都会有类似翅膀的器官。生物应该都由类似细胞的部件组成，依靠这些微小的单元把自身内部环境与外部世界隔离。如果此类约束条件主导着生命的发展，那么，外星生命很可能十分类似于地球生命。另一方面，生命的演化也可能由偶发事件决定。生命是什么样子，可能纯属随机结果，由全球性灾难事件的偶然幸存者决定，比如地球生命史上导致恐龙灭绝的小行星撞击事件。假设我们把时钟拨转到5亿多年前的寒武纪，也就是化石记录中的“生命大爆炸”刚刚发生之时，然后重新开始——那个平行世界会与我们的世界相似吗？也许是巨型章鱼满山乱爬呢。
用望远镜搜索太空的计划，还承担着一个重要的理论目的。在行星生命研究中，我们的地球只是一个孤零零的样本。纯粹从统计角度来看，由于样本空间为1，我们根本无法得出结论，无法确定到底是什么约束着生命的演化。然而，物理学的基本定律适用于整个宇宙，元素的性质和丰度也由此决定，也决定了化学的普适性。
某种意义上，造成这个困局的罪魁是DNA。现代分子生物学，以及随之而来的各种DNA技术，肇因于物理学家薛定谔1944年的著作《生命是什么》。薛定谔在书中提出了两个核心论点：首先，生命以某种方式抵抗着宇宙万物趋于崩坏的趋势，在局部抑制熵增（混乱），以此对抗热力学第二定律；其次，生命能在局部逃避熵增的诀窍隐藏在基因中。他猜测基因物质是某种“非周期性”的晶体，其晶格结构不做精确重复，因此可以作为“代码脚本”——这是该术语首次应用在生物学语境中。薛定谔和同时代的大多数生物学家，都以为这种奇特的“类晶体”是某种蛋白质。此后，分子生物学研究突飞猛进，不到十年时间，克里克和沃森就推导出了DNA的晶体结构。1953年，他们在《自然》杂志上发表了第二篇论文，宣布：“……因此，我们有相当的把握认为，精确的碱基序列就是承载基因信息的代码。”这句话分量千钧，一举成为现代生物学的基石。当代生物学就是信息的科学，主流研究方法是在电子芯片中分析基因组序列，信息转移的概念赋予了生命新的定义。
基因组是通往奇迹世界的大门。堆积如山的代码，单以人类基因组计数，就有30亿个字符之多，读起来像一部后现代小说。人类基因组中只有极少一部分代码（不到2%）为蛋白质编码，更大一部分是基因调控区域。至于剩下的部分是什么，科学家一直为此争论不休。真正重要的事实在于，基因组包含着成千上万个基因的代码，以及更加复杂的基因调控区域。毛虫破茧化蝶，小孩长大成人，其间需要的一切化学物质和信号都由基因组提供、操纵。我们比较动物、植物、真菌和单细胞的阿米巴原虫后发现，其中在发挥作用的是同样的生物过程。我们会在大小和类型差异极大的基因组中发现同一个基因的不同变体，同样的调控因子，同样的“自私”复制因子，以及同样的无意义重复片段。洋葱、小麦和阿米巴原虫比人类拥有更多的DNA和基因。蛙和蝾螈等两栖动物的基因组，大小差异可达两个数量级：某些蝾螈的基因组比人类的大40倍，某些蛙类的基因组不及人类的1/3。如果必须用一句话概括生物基因组的结构限制，那只能说“怎么都行”。
这点非常关键。如果基因组仅仅等同于信息，而基因组的大小和结构又没有根本的限制，那么信息也就没有限制。但这并不意味着基因组完全不受任何限制，有些限制还是很明显的。作用于基因组的力量包括自然选择和另一些随机因素：基因、染色体，乃至整个基因组的偶然复制、倒位、丢失，以及寄生DNA的入侵。所有这些因素加在一起会导致怎样的结果呢？这取决于生态位、物种间的竞争和种群数量等因素。从我们的立场来看，这些因素都是环境的一部分，是不可预测的。如果能夠精确指定环境，我们也许能预测某个物种的基因组大小。但实际状况是，无尽多的物种生存在无限多样的微环境中：小到其他生物的细胞内部，大到人类都市，深至高压的大洋之底。与其说“怎么都行”，不如说“什么都有”。在各种各样的环境中，有多少环境因素作用于基因组，基因组就应该有多少种变化。基因组不能预言未来，只能记载过去。它们反映的是环境历史的影响。
我们的行星已经存在了45亿年。地球诞生之初，太阳系也新生不久，创世的喧嚣逐渐平息，地球在长达7亿年间都承受着陨石大轰炸。
研究者过去认为，最早的大气大多由火山喷出的氧化物构成，大气成分主要有二氧化碳、水蒸气、氮气和二氧化硫。这种混合物的成分与今天的空气大致相似，不同在于前者缺少氧气——直到很久以后，光合作用问世，氧气才丰富起来。偶尔的小行星撞击可能导致部分海洋蒸发，但不太可能影响生活在深海中的任何细菌（如果它们当时已经演化出现）。 最早的生命证据同样薄弱，其中很多都發现于格陵兰岛西南部的伊苏亚和阿基利亚。那里已知最古老的岩石，大约形成于38亿年之前（见下图时间线）。这些证据不是以化石或者活细胞产生的复杂有机分子（即所谓“生物标记”）形态存在的，只是石墨中碳原子的某种非随机积聚。自然界的碳元素以两种稳定的同位素存在，原子质量有细微的差别。
这条时间线上列出了早期演化中的重要事件和大致年代。这些年代中有很多不确定性，存在争议。但绝大部分证据显示细菌和古菌出现于真核生物之前的15亿～20亿年间。
让我们快进几亿年。这个地质时代的生命证据更加可靠，且易于解读。澳大利亚和南非的古老岩石中含有外观非常像细胞的微体化石，虽然不太可能以现代方法为它们分类。这些微小的化石很多都含有暗示生命存在的碳同位素标记，更加稳定、明显。这表明这些微体化石是有秩序的新陈代谢，而不是随机的地热分馏过程造成的。而且，这些岩石中有些结构很像叠层石。叠层石是一种由细菌构成的大型拱状结构，其中单细胞生物层层覆盖生长，掩埋在底部的层级逐渐被矿物质置换，继而变成化石，最终形成奇特的高达一米的叠层石质结构。
这些巨大的沉积构造不仅标志着生命，还揭示了曾经存在的光合作用。那不是我们平日所见的由绿色植物和藻类进行的光合作用，而是一种更简单的初期形式。在所有的光合作用中，光的能量都被用来从供体上剥离电子，然后电子再被“强加”给二氧化碳分子，形成有机分子。不同形式的光合作用使用不同的电子供体，来源各异，最普遍的是溶解态的（二价）铁、硫化氢或者水。各种形式的光合作用中，电子都被转移给二氧化碳，留下“废料”：沉积的铁锈，游离态硫元素（即硫黄）或者氧气。最难对付的供体是水，其能量要求远超其他物质。32亿年前，生命活动从水以外的各种物质中提取电子。正如生物化学家艾伯特·圣哲尔吉的诠释：生命不过是一个电子寻找归宿的过程。光合作用的最终形态（从水中提取电子）是何时产生的，学界还存在很大的争议。一些学者认为这是一起早期演化事件，但目前的证据表明，产氧光合作用出现于29亿～24亿年前，此后不久，地球就爆发了“中年危机”，全球地质和气候大动荡。世界范围的大规模冰川作用导致了雪球地球时期的形成，接下来是大约发生在22亿年前的“大氧化事件”，陆地岩石被广泛氧化——地层中遗留下的铁锈色“红色岩床”证明当时的大气中存在大量氧气。甚至雪球地球本身的形成，也很可能是大气中氧含量上升所致：氧气能够氧化甲烷，把大气中这种强力的温室气体消耗殆尽，从而触发了全球冰冻期。
产氧光合作用的出现，标志着生命的新陈代谢手段已经趋于完备。我们这趟走马观花的早期地球历史追溯之旅，跨越了近20亿年，是整部动物史时长的3倍，不太可能穷尽所有细节。然而，我们应该在此处停留一会儿，思考一下这个大背景反映出的世界本质。首先，生命在地球极早期就已出现，起码是在40亿～35亿年前，而当时的世界是一个类似于当代地球的水世界。其次，35亿～32亿年前，细菌已经发展出几乎所有的新陈代谢形式，包括各种呼吸作用和光合作用。在大约10亿年间，地球都是一口细菌繁盛的大锅，而细菌在生物化学上的创造力令人叹为观止。同位素分馏证据表明，所有主要的营养循环，包括碳循环、氮循环、硫循环、铁循环等，在25亿年前就已经存在。然而直到24亿年前，随着大气氧含量的上升，生命才开始彻底改变我们这颗行星的景观。一度只活跃着细菌的世界，这时才有可能从外太空观察到生命的存在。直到这时，大气才开始积累化学性质活泼的气体，如氧气和甲烷，都由生命细胞不断补充。自此之后，生物才开始显露出行星规模的伟力。
（摘自贵州大学出版社《复杂生命的起源》 作者：[英] 尼克·莱恩 译者：严曦）