等通扳 天体生物学研究进展和发展趋势 林巍,李一良,王高鸿and潘永信 Citation:科学通报;doi:10.1360TB20190396 http:/lengine.scichina.com/doi/10.1360/1b-2019-0396 Publis the《中国科学》杂志社 Articles you may be interested in 凝固过程数值模拟的研究进展和发展趋势 Chinese Science Bulletin 59, 845 (2014) DNA甲基化研究进展及其在木本植物中的发展趋垫 SCIENTIA SINICA Vitae Recent developments and future directions of deep biosphere research Chinese Science Bulletin 63, 3885 (2018) 古地震学研究的历史现状和发 Chinese Science Bulletin 44, 12 (1 Recent advances and de lent of supported ionic liquids SCIENTIA SINICA Chimica 46, 1305 (2016) ASBA 2019
天体生物学研究进展和发展趋势 林巍, 李一良, 王高鸿 and 潘永信 Citation: 科学通报; doi: 10.1360/TB-2019-0396 View online: http://engine.scichina.com/doi/10.1360/TB-2019-0396 Published by the 《中国科学》杂志社 Articles you may be interested in 凝固过程数值模拟的研究进展和发展趋势 Chinese Science Bulletin 59, 845 (2014); DNA甲基化研究进展及其在木本植物中的发展趋势 SCIENTIA SINICA Vitae Recent developments and future directions of deep biosphere research Chinese Science Bulletin 63, 3885 (2018); 古地震学研究的历史、现状和发展趋势 Chinese Science Bulletin 44, 12 (1999); Recent advances and development of supported ionic liquids SCIENTIA SINICA Chimica 46, 1305 (2016);
学通扳 《中国科学》杂志社 SCIENCE CHINA PRESS 天体生物学研究进展和发展趋势 林巍2’,李一良3,王高鸿,潘永信 1.中国科学院地质与地球物理硏究所,中国科学院地球与行星物理重点实验室,北京100029, 2.中国科学院地球科学研究院,北京100029 3.香港大学地球科学系,香港; 4.中国科学院水生生物研究所,武汉430072; 5.中国科学院大学地球与行星科学学院,北京100049 *联系人,E-mail:wein@mal.igca 19-08-13收稿,2019-10-31修回,2019-11-01接受,2019-11-04网络版发表 中国科学院A类战略性先导科技专项(XDA17010501)和国家自然科学基金(41822704,41621004)资助 摘要天体生物学旨在研究宇宙演化背景下生命的起源、演化、分布和未来.天体生物学研究始于20世纪中期, 已在生命起源、生命与环境协同演化、宜居环境、地外生命探测、生命星际传输、行星开发和保护等方面获得 了一系列新发现和新认识,深刻改变了人们对生命和宜居环境的理解.天体生物学是一门交叉性和探索性很强的 学科,其发展不仅推动了生命科学、地球科学、行星科学、空间科学、天文学等不同学科的交叉融合,也增强了 科研人员与工程技术人员、科学家与公众之间的对话和沟通.近年来,我国探月工程取得了举世瞩目的成就,酝酿 中的火星、木星等深空探测旨在探索浩瀚字宙,给我国的天体生物学硏究提岀了更高要求.本文综述了国内外天 体生物学的研究现状、主要方向、关键科学问题和研究进展等,并对我国的天体生物学研究提出了若于建议 关键词天体生物学,生命起源,宜居环境,生命探測,极端环境生物 从我国古代夸父追日、嫦娥奔月的神话传说到文学等多个学科的交叉融合,也需要基础科学和工程 17~19世纪对月球和火星存在生命的猜想,人类对宇宙技术的通力合作.天体生物学研究手段多样,包括地 的好奇心有增无减.20世纪中叶以来,随着航天技术的基/天基观察、飞行探测、野外调查、实验室研究、计 迅猛发展和现代科学的革命进步,人类真正实现了探算模拟等.我们从哪里来?我们是否孤独?寻找地外生 索太空的愿望,逐步实施了对月球、火星及太阳系内命是人类探索宇宙最本源的驱动力,也是天体生物学 其他天体的探测,并开始探讨生命起源、地外生命、研究的核心.地球是目前唯一已知存在生命的星球,因 宜居星球、宇宙演化等终极科学问题.天体生物学(As-此天体生物学特别关注行星地球宜居环境的形成和演 tribology或 Exobiology,旧称 Cosmobiology或 Bioastr-化,以及地球生命如何起源、何时起源、演化路径 onomy)这一学科正是在这个背景下应运而生 生存极限等,并以此为基础和依据,搜寻太阳系内外 天体生物学简而言之是研究宇宙中的生命,在宇的宜居星球和生命 宙演化的背景下探究生命的起源、演化及其在宇宙中 天体生物学与深空探测相辅相成,前者的发展离 的分布和未来这是一门交叉性很强的学科,不仅涉不开后者技术的进步,而前者又是后者的重要科学目 及到生命科学、地球科学、行星科学、空间科学、天标之一.深空探测是衡量世界各国综合国力和科技水 引用格式:林巍,李一良,王高鸿,等.天体生物学研究进展和发展趋势科学通报,2019,64 Lin W, Li Y L, Wang G H, et al. Overview and perspectives of Astrobiology(in Chinese). Chin Sci Bull, 2019, 64, doi: 10.1360TB-2019-0396 2019(中国科学》杂志社 scichina.comcsb.scichina.com dtoP:192.1680.213on:2019-12-26100034httpengine.scichinacom/dou10.1360B-2019-0
天体生物学研究进展和发展趋势 林巍1,2*, 李一良3 , 王高鸿4 , 潘永信1,2,5 1. 中国科学院地质与地球物理研究所, 中国科学院地球与行星物理重点实验室, 北京 100029; 2. 中国科学院地球科学研究院, 北京 100029; 3. 香港大学地球科学系, 香港; 4. 中国科学院水生生物研究所, 武汉 430072; 5. 中国科学院大学地球与行星科学学院, 北京 100049 * 联系人, E-mail: weilin@mail.iggcas.ac.cn 2019-08-13 收稿, 2019-10-31 修回, 2019-11-01 接受, 2019-11-04 网络版发表 中国科学院A类战略性先导科技专项(XDA17010501)和国家自然科学基金(41822704, 41621004)资助 摘要 天体生物学旨在研究宇宙演化背景下生命的起源、演化、分布和未来. 天体生物学研究始于20世纪中期, 已在生命起源、生命与环境协同演化、宜居环境、地外生命探测、生命星际传输、行星开发和保护等方面获得 了一系列新发现和新认识, 深刻改变了人们对生命和宜居环境的理解. 天体生物学是一门交叉性和探索性很强的 学科, 其发展不仅推动了生命科学、地球科学、行星科学、空间科学、天文学等不同学科的交叉融合, 也增强了 科研人员与工程技术人员、科学家与公众之间的对话和沟通. 近年来, 我国探月工程取得了举世瞩目的成就, 酝酿 中的火星、木星等深空探测旨在探索浩瀚宇宙, 给我国的天体生物学研究提出了更高要求. 本文综述了国内外天 体生物学的研究现状、主要方向、关键科学问题和研究进展等, 并对我国的天体生物学研究提出了若干建议. 关键词 天体生物学, 生命起源, 宜居环境, 生命探测, 极端环境生物 从我国古代夸父追日、嫦娥奔月的神话传说到 17~19世纪对月球和火星存在生命的猜想, 人类对宇宙 的好奇心有增无减. 20世纪中叶以来, 随着航天技术的 迅猛发展和现代科学的革命进步, 人类真正实现了探 索太空的愿望, 逐步实施了对月球、火星及太阳系内 其他天体的探测, 并开始探讨生命起源、地外生命、 宜居星球、宇宙演化等终极科学问题. 天体生物学(Astrobiology或Exobiology, 旧称Cosmobiology或Bioastronomy)这一学科正是在这个背景下应运而生[1–3]. 天体生物学简而言之是研究宇宙中的生命, 在宇 宙演化的背景下探究生命的起源、演化及其在宇宙中 的分布和未来[4,5]. 这是一门交叉性很强的学科, 不仅涉 及到生命科学、地球科学、行星科学、空间科学、天 文学等多个学科的交叉融合, 也需要基础科学和工程 技术的通力合作. 天体生物学研究手段多样, 包括地 基/天基观察、飞行探测、野外调查、实验室研究、计 算模拟等. 我们从哪里来? 我们是否孤独? 寻找地外生 命是人类探索宇宙最本源的驱动力, 也是天体生物学 研究的核心. 地球是目前唯一已知存在生命的星球, 因 此天体生物学特别关注行星地球宜居环境的形成和演 化, 以及地球生命如何起源、何时起源、演化路径、 生存极限等, 并以此为基础和依据, 搜寻太阳系内/外 的宜居星球和生命. 天体生物学与深空探测相辅相成, 前者的发展离 不开后者技术的进步, 而前者又是后者的重要科学目 标之一. 深空探测是衡量世界各国综合国力和科技水 引用格式: 林巍, 李一良, 王高鸿, 等. 天体生物学研究进展和发展趋势. 科学通报, 2019, 64 Lin W, Li Y L, Wang G H, et al. Overview and perspectives of Astrobiology (in Chinese). Chin Sci Bull, 2019, 64, doi: 10.1360/TB-2019-0396 © 2019《中国科学》杂志社 www.scichina.com csb.scichina.com 评 述 Downloaded to IP: 192.168.0.213 On: 2019-12-26 10:00:34 http://engine.scichina.com/doi/10.1360/TB-2019-0396
学通扳 平的一个重要标志,我国已把深空探测作为国家中长 期发展的重要战略规划,因此在现阶段推进并加强我 国的天体生物学研究具有重要的科学和战略意义.近E 年来,国内外天体生物学在研究的深度和广度上都有 了长足进步,已从早期的以生命科学为研究核心,发展 到以宜居环境、生命起源以及生命环境协同演化的 000 综合研究为主线.本文简要概述国内外天体生物学发 nn,,. 展历程、主要研究方向和进展,为推进我国天体生物 学的发展提供建议,以期更好地服务我国深空探测的 国家战略需求 国家/地区 发展历史和现状 10000 火星探 2004年发射 天体生物学名词最早出现在1903年的一本科幻小 000 说中,1935年法国学者 Sternfeld首次对该名词进行 江利号星采样近区 了定义20世纪中叶DNA双螺旋结构的发现叫以及米m是学 年发射木星深测 勒尤里实验1等极大地促进了生命科学的进步以及 得年想 勇气号和机遇号 人类对地球生命本源的认识,随之而来的美国和苏联 太空争霸推动了航天技术的革命,催生了天体生物学 先考金星计划士星及其卫星探测 这一研究领域的正式形成.美国是最早开展天体生物 1960197019801990200020102020 学研究的国家,也是当前该研究领域的“佼佼者”,其发 文量占全球天体生物学发文量的一半以上,处于引领图1天体生物学研究领域发文量检索统计和代表性的深空探测任 地位(图a)美国国家航空航天局NASA)自20世纪50务.(a)天体生物学领域总发文量排名前20的国家或地区.(b) 年代成立之初就开始资助地外生命探测仪器和科学载探测任务数据来源于 Web of s数据库核心合集利用主题词 荷的研制,直到1975年海盗号火星生命探测计划的实( (astrobiology OR exobiology OR cosmobiology OR bioastronomy)进行 施.然而海盗号任务没有在火星表面发现生命存在的检索,检索时间为2019年9月2日 确切证据,天体生物学研究随即进入了一个相对低谷wos) and representative astrobiology missions.(a) Percentage of 的阶段12.到了20世纪90年代,极端环境微生物研究 publications by top20 countries or regions.) Trends in the total 的发展、系外行星的发现、火星陨石ALH840015 ptember21,2019 from the Wos Core Collection through the 上观察到疑似生命遗迹、木卫二具有液态海洋以 ollowing search query: Astrobiology OR exobiology OR cosmobiology 及NASA天体生物学研究所( NASA Astrobiology Insti-- ute)的成立等,标志着天体生物学进入了黄金发展命可能在更早期的地球(如40亿年前的冥古宙)就已经 期,天体生物学的发文量在这一时期也开始显著增加出现0,极端环境微生物的发现和研究极大地拓展 (图1(b).一系列探测器的成功发射(如探测火星的“勇了对生命生存极限的认识,也为理解地球生命起源和 气号”、“机遇号”、“凤凰号”、“好奇号”、“洞察号”等,早期演化以及地外生命可能的生存方式提供了新思 探测水星的‘信使号”等,探测巨行星及其卫星的“伽利路在行星研究方面,月球上发现水的存在、火星 略号”、“卡西尼-惠更斯号”、“朱诺号”等)使人类具有早期可能具有温暖或寒冷但湿润的宜居环境和大面积 了对太阳系天体近距离或原位探测的能力,相关科研的湖泊或海洋2-、现代火星的部分区域仍可能存在 产出呈现出强劲的增长趋势,天体生物学研究和深空地下液态水1、木卫二和土卫二等卫星具有液态海 探测进入新的时代(图1(b) 洋229、陨石和彗星中存在许多氨基酸和复杂有机 经过多年的发展,天体生物学研究领域已经获得物,以及越来越多系外宜居行星的发现等132,都暗 了一系列重要认知.前生命化学反应新途径的发现使示生命可能不是地球所独有.过去20年,许多国家纷纷 我们更好地认识从化学反应向生命反应的跨越,生成立天体生物学相关的学术或研究机构.如1999成 DownloadedtoIp:192.168.0.213On:2019-12-2610:0034http:/engine.scichina.com/dou/10.1360/tb-2019-0396
平的一个重要标志, 我国已把深空探测作为国家中长 期发展的重要战略规划, 因此在现阶段推进并加强我 国的天体生物学研究具有重要的科学和战略意义. 近 年来, 国内外天体生物学在研究的深度和广度上都有 了长足进步, 已从早期的以生命科学为研究核心, 发展 到以宜居环境、生命起源以及生命-环境协同演化的 综合研究为主线. 本文简要概述国内外天体生物学发 展历程、主要研究方向和进展, 为推进我国天体生物 学的发展提供建议, 以期更好地服务我国深空探测的 国家战略需求. 1 发展历史和现状 天体生物学名词最早出现在1903年的一本科幻小 说中[6,7], 1935年法国学者Sternfeld[8]首次对该名词进行 了定义. 20世纪中叶DNA双螺旋结构的发现[9]以及米 勒-尤里实验[10]等极大地促进了生命科学的进步以及 人类对地球生命本源的认识, 随之而来的美国和苏联 太空争霸推动了航天技术的革命, 催生了天体生物学 这一研究领域的正式形成. 美国是最早开展天体生物 学研究的国家, 也是当前该研究领域的“佼佼者”, 其发 文量占全球天体生物学发文量的一半以上, 处于引领 地位(图1(a)). 美国国家航空航天局(NASA)自20世纪50 年代成立之初就开始资助地外生命探测仪器和科学载 荷的研制, 直到1975年海盗号火星生命探测计划的实 施. 然而海盗号任务没有在火星表面发现生命存在的 确切证据, 天体生物学研究随即进入了一个相对低谷 的阶段[11,12]. 到了20世纪90年代, 极端环境微生物研究 的发展[13]、系外行星的发现[14]、火星陨石ALH84001 上观察到疑似生命遗迹[15]、木卫二具有液态海洋[16]以 及NASA天体生物学研究所(NASA Astrobiology Institute)的成立[17]等, 标志着天体生物学进入了黄金发展 期, 天体生物学的发文量在这一时期也开始显著增加 (图1(b)). 一系列探测器的成功发射(如探测火星的“勇 气号”、“机遇号”、“凤凰号”、“好奇号”、“洞察号”等, 探测水星的“信使号”等, 探测巨行星及其卫星的“伽利 略号”、“卡西尼-惠更斯号”、“朱诺号”等)使人类具有 了对太阳系天体近距离或原位探测的能力, 相关科研 产出呈现出强劲的增长趋势, 天体生物学研究和深空 探测进入新的时代(图1(b)). 经过多年的发展, 天体生物学研究领域已经获得 了一系列重要认知. 前生命化学反应新途径的发现使 我们更好地认识从化学反应向生命反应的跨越[18]; 生 命可能在更早期的地球(如40亿年前的冥古宙)就已经 出现[19,20]; 极端环境微生物的发现和研究极大地拓展 了对生命生存极限的认识, 也为理解地球生命起源和 早期演化以及地外生命可能的生存方式提供了新思 路[13]. 在行星研究方面, 月球上发现水的存在[21]、火星 早期可能具有温暖或寒冷但湿润的宜居环境和大面积 的湖泊或海洋[22~25]、现代火星的部分区域仍可能存在 地下液态水[26]、木卫二和土卫二等卫星具有液态海 洋[27~29]、陨石和彗星中存在许多氨基酸和复杂有机 物[30], 以及越来越多系外宜居行星的发现等[31,32], 都暗 示生命可能不是地球所独有. 过去20年, 许多国家纷纷 成立天体生物学相关的学术或研究机构. 如1999年成 图 1 天体生物学研究领域发文量检索统计和代表性的深空探测任 务. (a) 天体生物学领域总发文量排名前20的国家或地区. (b) 1960~2019年天体生物学领域总发文量的时间趋势和代表性的深空 探测任务. 数据来源于Web of Science数据库核心合集, 利用主题词 (astrobiology OR exobiology OR cosmobiology OR bioastronomy)进行 检索, 检索时间为2019年9月21日 Figure 1 Publication trends of Astrobiology in the Web of Science (WoS) and representative astrobiology missions. (a) Percentage of publications by top 20 countries or regions. (b) Trends in the total number of publications between 1960 and 2019. Data were retrieved in September 21, 2019 from the WoS Core Collection through the following search query: Astrobiology OR exobiology OR cosmobiology OR bioastronomy 2 Downloaded to IP: 192.168.0.213 On: 2019-12-26 10:00:34 http://engine.scichina.com/doi/10.1360/TB-2019-0396
立的西班牙天体生物学研究中心( Spanish Astrobiology命、地球生命起源了一次还是多次,以及如何界定前 Center)、2000年成立的墨西哥天体生物学学会(Mex-生命化学反应和生命的生化过程等 can Astrobiology Society)、2001年成立的欧洲天体生 制约生命起源研究的主要瓶颈是生命的定义或者 物学联合会 European Astrobiology Network Associa-生命与非生命的区别还没有准确界定.尽管科学家尝 tion)、2002年成立的俄罗斯天体生物学中心( Russian试总结了地球生命的共同特征,如有序结构、生殖、 Astrobiology Centre)和澳大利亚天体生物学研究中心生长发育、能量利用、对环境做出反应、体内平衡 ( Australian Center for Astrobiology)、2011年成立的英演化适应等,但尚不清楚这些特征是宇宙中所有生 国天体生物学研究中心( UK Centre for Astrobiology.)、命共有的,还是仅为地球生命所特有生命是能够 2015年成立的日本天体生物学中心( Japan Astrobiology进行达尔文式演化的一种自我维持的化学系统(self Center)以及2019年成立的欧洲天体生物学研究所(Eur- sustaining chemical system capable of Darwinian evolu- opean Astrobiology Institute)等,标志着天体生物学在全tion),这是NASA在开展天体生物学研究中使用的工作 球范围快速发展. 定义.前生命化学过程演化到早期生命是在何种环 2主要研究方向和取得的重要进展 境下进行的,这是生命起源研究的热点.目前的假说包 括可能发生在海底热液口附近、海洋表面、潮汐 生命和宜居环境在宇宙中如何形成和演化是天体池、陆地热泉、矿物-水大气界面、火山含水 生物学的核心科学问题围绕这一问题,当前天体生物层等.对于这些极端环境中生物的多样性、适应机 学的主要研究方向包括生命的起源与演化、宜居环制和演化的研究将有助于更好地认识生命起源和早期 境、地外生命探测、生命星际传输、行星开发和保演化.微生物可能是地球之外其他天体上最可能存在 的一种生命形式,研究生命起源和早期演化的一个重 21生命起源与早期演化 要手段就是探究地球上所有微生物的共同祖先 (LUCA)可能具有的代谢特点及其起源和演化的环 地球是目前已知唯一存在生命的星球,认识地球境未来将深空探测、实验研究以及理论模拟相结 生命的起源、复制和维持机制是天体生物学的重要研合,从演化的视角来研究前生命化学反应中单个分子/ 究领域,也为探寻地外生命提供基本前提.主要研究内化合物的功能、原始生命体的生理代谢、早期生命复 容包括:(1)生命起源的行星际和地球化学环境;(2)组杂体系的形成等,将有助于更好地认识地球生命的起 成生命的小分子物质的来源以及它们如何形成核酸、源和早期演化 蛋白质、磷脂双分子层等高分子物质;(3)早期生命的 古老岩石可以记录地球早期的部分环境信息,为 生理代谢方式,上述研究不仅可以用于评判地球以外研究生命起源和早期演化的背景环境提供了部分线 其他可能存在生命的区域,也有助于更好地区分地外索2地球是一个活跃的星球,板块运动引起的海陆变 生命探测中获得的可能生命信号和非生物化学反应产迁、气候变化等诸多因素导致地质历史早期的许多线 生的信号等.地球已有约45.6亿年的历史,地球生命至索都难以保存下来.现代太阳系中的一些天体,如土卫 少在35-38亿年前就已经出现3,甚至更早前生六等,可能具有与地球生命起源时类似的行星化学环 命化学过程,即从非生命物质逐步演化到原始生命的境,对这些天体的探测和深入研究将为认识前生命化 过程,可能发生的更早,因为在43~4亿年前地球表面学反应向原始生命体过渡提供线索.此外,地球早期的 的温度已经冷却到可以支持液态水的存在38.地球物质由于陨石撞击等事件可能溅射到距离较近的月球 上最早出现的生命由当时环境中已经存在的简单有机和火星上,并在这些星球上保存下来,这可能为揭开地 分子组装形成,而这些有机分子可能产生于地球早期球生命起源之谜与早期环境提供另一条途径 的大气、海洋等环境中,也可能形成于早期的太阳星 地球的历史是一部生命与环境之间相互作用和协 云和小行星、彗星等天体中,并由陨石、彗星等携带同演化的历史.生命自起源伊始就受到地球环境的制 来到地球639.生命起源研究的主要科学问题包括:约,从前生命化学反应向原始生物过程的过渡是环境 早期地球环境如何演化、有机分子通过何种方式聚对生命的最早作用在随后的演化中,生物逐渐产生了 集、它们是如何形成高分子化合物直至产生早期生各种复杂的生理结构和代谢过程以更好地适应地球环 DownloadedtoIp:192.168.0.213On:2019-12-2610:0034http:/engine.scichina.com/dou/10.1360/tb-2019-0396
立的西班牙天体生物学研究中心(Spanish Astrobiology Center)、2000年成立的墨西哥天体生物学学会(Mexican Astrobiology Society)、2001年成立的欧洲天体生 物学联合会(European Astrobiology Network Association)、2002年成立的俄罗斯天体生物学中心(Russian Astrobiology Centre)和澳大利亚天体生物学研究中心 (Australian Center for Astrobiology)、2011年成立的英 国天体生物学研究中心(UK Centre for Astrobiology)、 2015年成立的日本天体生物学中心(Japan Astrobiology Center)以及2019年成立的欧洲天体生物学研究所(European Astrobiology Institute)等, 标志着天体生物学在全 球范围快速发展. 2 主要研究方向和取得的重要进展 生命和宜居环境在宇宙中如何形成和演化是天体 生物学的核心科学问题. 围绕这一问题, 当前天体生物 学的主要研究方向包括生命的起源与演化、宜居环 境、地外生命探测、生命星际传输、行星开发和保 护等. 2.1 生命起源与早期演化 地球是目前已知唯一存在生命的星球, 认识地球 生命的起源、复制和维持机制是天体生物学的重要研 究领域, 也为探寻地外生命提供基本前提. 主要研究内 容包括: (1) 生命起源的行星际和地球化学环境; (2) 组 成生命的小分子物质的来源以及它们如何形成核酸、 蛋白质、磷脂双分子层等高分子物质; (3) 早期生命的 生理代谢方式. 上述研究不仅可以用于评判地球以外 其他可能存在生命的区域, 也有助于更好地区分地外 生命探测中获得的可能生命信号和非生物化学反应产 生的信号等. 地球已有约45.6亿年的历史, 地球生命至 少在35~38亿年前就已经出现[33,34], 甚至更早[35,36]. 前生 命化学过程, 即从非生命物质逐步演化到原始生命的 过程, 可能发生的更早, 因为在43~44亿年前地球表面 的温度已经冷却到可以支持液态水的存在[37,38]. 地球 上最早出现的生命由当时环境中已经存在的简单有机 分子组装形成, 而这些有机分子可能产生于地球早期 的大气、海洋等环境中, 也可能形成于早期的太阳星 云和小行星、彗星等天体中, 并由陨石、彗星等携带 来到地球[36,39,40]. 生命起源研究的主要科学问题包括: 早期地球环境如何演化、有机分子通过何种方式聚 集、它们是如何形成高分子化合物直至产生早期生 命、地球生命起源了一次还是多次, 以及如何界定前 生命化学反应和生命的生化过程等. 制约生命起源研究的主要瓶颈是生命的定义或者 生命与非生命的区别还没有准确界定. 尽管科学家尝 试总结了地球生命的共同特征, 如有序结构、生殖、 生长发育、能量利用、对环境做出反应、体内平衡、 演化适应等[41], 但尚不清楚这些特征是宇宙中所有生 命共有的, 还是仅为地球生命所特有[42,43]. 生命是能够 进行达尔文式演化的一种自我维持的化学系统(selfsustaining chemical system capable of Darwinian evolution), 这是NASA在开展天体生物学研究中使用的工作 定义[44]. 前生命化学过程演化到早期生命是在何种环 境下进行的, 这是生命起源研究的热点. 目前的假说包 括可能发生在海底热液口附近[45]、海洋表面[46]、潮汐 池[47]、陆地热泉[48]、矿物-水-大气界面[49]、火山含水 层[50]等. 对于这些极端环境中生物的多样性、适应机 制和演化的研究将有助于更好地认识生命起源和早期 演化. 微生物可能是地球之外其他天体上最可能存在 的一种生命形式, 研究生命起源和早期演化的一个重 要手段就是探究地球上所有微生物的共同祖先 (LUCA)可能具有的代谢特点及其起源和演化的环 境[51]. 未来将深空探测、实验研究以及理论模拟相结 合, 从演化的视角来研究前生命化学反应中单个分子/ 化合物的功能、原始生命体的生理代谢、早期生命复 杂体系的形成等, 将有助于更好地认识地球生命的起 源和早期演化. 古老岩石可以记录地球早期的部分环境信息, 为 研究生命起源和早期演化的背景环境提供了部分线 索[52]. 地球是一个活跃的星球, 板块运动引起的海陆变 迁、气候变化等诸多因素导致地质历史早期的许多线 索都难以保存下来. 现代太阳系中的一些天体, 如土卫 六等, 可能具有与地球生命起源时类似的行星化学环 境, 对这些天体的探测和深入研究将为认识前生命化 学反应向原始生命体过渡提供线索. 此外, 地球早期的 物质由于陨石撞击等事件可能溅射到距离较近的月球 和火星上, 并在这些星球上保存下来, 这可能为揭开地 球生命起源之谜与早期环境提供另一条途径[53]. 地球的历史是一部生命与环境之间相互作用和协 同演化的历史. 生命自起源伊始就受到地球环境的制 约, 从前生命化学反应向原始生物过程的过渡是环境 对生命的最早作用. 在随后的演化中, 生物逐渐产生了 各种复杂的生理结构和代谢过程以更好地适应地球环 评 述 3 Downloaded to IP: 192.168.0.213 On: 2019-12-26 10:00:34 http://engine.scichina.com/doi/10.1360/TB-2019-0396
学通扳 境.地质历史时期一些重大的环境事件对地球生物圈展趋势 的多样性、演化速率、演化方向等都产生了重要影响 对地外天体宜居环境的判别主要依据对地球类似 如新元古代的雪球地球ˆ事件引起了全球气候环境的极端环境的类比研究.截止到2017年,人们已经发现了 变化,促进了后来多细胞生物的繁盛5.地幔对流、至少37个不同的类比研究地点或环境,包括我国柴 板块运动、火山活动、地磁场变化等地质活动和环境达木盆地类火星环境和地貌.对这些极端环境中 演变都会对生物圈的演化产生重要影响,地球生命微生物的研究改变了人们对生命生存极限的认识.目 又通过各种生理代谢活动深刻影响和改变了地球的大前已在40~70km高度的临近空间、一万米以下的深 气、海洋和表面地球化学等环境特征如地质历史海、120°℃C的高温环境、零下17°C的低温环境、常年 早期的铁氧化细菌、铁还原细菌、趋磁细菌等微生物干燥的沙漠、南极永久冻土带等极端环境中都发现了 可能参与了前寒武纪条带状铁建造(BIF)的沉积,这些微生物的存在1,这拓宽了宜居环境的定义和范畴 铁建造是当前世界上重要的铁矿资源产氧光合这些极端环境可以类比太阳系内一些天体,如临近空 微生物的岀现则促使地表从还原环境转变为氧化环境,间、沙漠、南极永冻土带可以类比现在的火星环境, 引起了水圈和大气圈中氧气浓度的增加,改变了地球深海和冰下湖可以类比土卫二和木卫二内部的海洋环 表层的环境和后续生物圈演化的方向地表和深部境等对极端环境及其微生物的研究可以帮助我们更 生物圈中的微生物在全球元素的地球化学循环中发挥加准确地评判地外天体是否具有宜居环境 了不可或缺的作用.这些生物参与和主导的过程逐 火星是除地球以外研究最为深入的行星.早期火 渐成为生物圈对地质圈层的精细调节,进一步维系了星具有大量液态水甚至海洋,具有核、幔、壳分层 地球的宜居环境 和全球磁场,可能发生过板块运动3,气候湿 润,这些证据表明火星可能一度具有类似于早期地 22宜居环境 球的宜居环境.现代火星地表环境恶劣,但其地下可能 宜居环境指具有适宜任何形式生命出现或生存的具有支持类似于地球微生物等生命形式生存的条件, 环境,其空间范围可以大至一个行星系统,也可以小至当前对火星宜居环境和生命的探索已逐渐从地表转人 微生物生存的微尺度环境在天体生物学的理论框地下 架中,是否支持液态水的存在是衡量环境宜居性的- 太阳系内的一些冰卫星,如木卫二、木卫三、木 个核心指标此外,能量(太阳能或化学能)、生命所需卫四、土卫二、土卫四和海卫一等,在其表面冰层以 的基本元素( CHONSP)的丰度等也是影响环境宜居性下可能存在液态的海洋,具有一定的宜居性在这些 的重要参数,板块运动、全球或局部磁场等则可能有冰卫星中,木卫二和土卫二尤为引人关注.木卫二的海 助于形成类似地球的、具有长期演化历史的大型生态洋与其岩石层直接接触,推测可能存在类似地球的深 系统.在行星宜居环境研究中,除了考虑空间尺度,海热液喷口,为生命的起源和演化提供了必要的能量 还要在时间尺度上以演化的视角进行探讨.生命起源和营养元素.土卫二表面向外溅射出含水冰颗粒和 的环境与其繁盛的环境可能截然不同,当前宜居的环有机物的羽状物,暗示其内部可能存在液态水和一些 境过去不一定适宜生命的发生,而现在不宜居的环境生命活动或类似于地球的前生命化学反应过程等28 过去可能可以支持生命起源和演化.地球在生命出现土卫六大气中存在着较复杂的有机合成反应,其表面 之前就已经具有宜居环境,早期地球的环境与现在环存在富含烷烃的海洋,被认为是研究太阳系生命起源 境差别巨大,从形成初期的高温和高辐射环境到液态和早期生命演化的天然实验室.对这些太阳系冰卫 水和早期海洋的出现,从还原缺氧的表层环境到氧星潜在宜居环境的研究使人们认识到宇宙中宜居环境 气的出现和臭氧层的形成,从被冰川覆盖的“雪球地具有多样性 球”到全球升温变暖的极热事件6地球在地质历史 寻找可能具有宜居环境的系外行星也是当前天体 时期经历过多种不同的环境,说明同一个天体在不同生物学研究的热点.截止到2019年9月,已发现超过 演化阶段可以具有截然不同的宜居环境,而生命也会4000颗确定的系外行星,另有1000多颗尚待进一步确 不断地适应环境并在一定程度上改造宜居环境.从空认.尽管人们已经认识到系外行星无论从其本身特点 间和时间尺度上共同探究行星宜居环境是该领域的发还是其所处的行星系统都可能与地球及太阳系的其他 DownloadedtoIp:192.168.0.213On:2019-12-2610:0034http:/engine.scichina.com/dou/10.1360/tb-2019-0396
境. 地质历史时期一些重大的环境事件对地球生物圈 的多样性、演化速率、演化方向等都产生了重要影响. 如新元古代的“雪球地球”事件引起了全球气候环境的 变化, 促进了后来多细胞生物的繁盛[54,55]. 地幔对流、 板块运动、火山活动、地磁场变化等地质活动和环境 演变都会对生物圈的演化产生重要影响[56]. 地球生命 又通过各种生理代谢活动深刻影响和改变了地球的大 气、海洋和表面地球化学等环境特征[57]. 如地质历史 早期的铁氧化细菌、铁还原细菌、趋磁细菌等微生物 可能参与了前寒武纪条带状铁建造(BIF)的沉积, 这些 铁建造是当前世界上重要的铁矿资源[58~60]. 产氧光合 微生物的出现则促使地表从还原环境转变为氧化环境, 引起了水圈和大气圈中氧气浓度的增加, 改变了地球 表层的环境和后续生物圈演化的方向[61]. 地表和深部 生物圈中的微生物在全球元素的地球化学循环中发挥 了不可或缺的作用[62]. 这些生物参与和主导的过程逐 渐成为生物圈对地质圈层的精细调节, 进一步维系了 地球的宜居环境. 2.2 宜居环境 宜居环境指具有适宜任何形式生命出现或生存的 环境, 其空间范围可以大至一个行星系统, 也可以小至 微生物生存的微尺度环境[63]. 在天体生物学的理论框 架中, 是否支持液态水的存在是衡量环境宜居性的一 个核心指标. 此外, 能量(太阳能或化学能)、生命所需 的基本元素(CHONSP)的丰度等也是影响环境宜居性 的重要参数, 板块运动、全球或局部磁场等则可能有 助于形成类似地球的、具有长期演化历史的大型生态 系统[64]. 在行星宜居环境研究中, 除了考虑空间尺度, 还要在时间尺度上以演化的视角进行探讨. 生命起源 的环境与其繁盛的环境可能截然不同, 当前宜居的环 境过去不一定适宜生命的发生, 而现在不宜居的环境 过去可能可以支持生命起源和演化. 地球在生命出现 之前就已经具有宜居环境, 早期地球的环境与现在环 境差别巨大, 从形成初期的高温和高辐射环境到液态 水和早期海洋的出现[65], 从还原缺氧的表层环境到氧 气的出现和臭氧层的形成[61], 从被冰川覆盖的“雪球地 球”到全球升温变暖的极热事件[66,67]. 地球在地质历史 时期经历过多种不同的环境, 说明同一个天体在不同 演化阶段可以具有截然不同的宜居环境, 而生命也会 不断地适应环境并在一定程度上改造宜居环境. 从空 间和时间尺度上共同探究行星宜居环境是该领域的发 展趋势. 对地外天体宜居环境的判别主要依据对地球类似 极端环境的类比研究. 截止到2017年, 人们已经发现了 至少37个不同的类比研究地点或环境[68], 包括我国柴 达木盆地类火星环境和地貌[69,70]. 对这些极端环境中 微生物的研究改变了人们对生命生存极限的认识. 目 前已在40~70 km高度的临近空间、一万米以下的深 海、120°C的高温环境、零下17°C的低温环境、常年 干燥的沙漠、南极永久冻土带等极端环境中都发现了 微生物的存在[13], 这拓宽了宜居环境的定义和范畴[71]. 这些极端环境可以类比太阳系内一些天体, 如临近空 间、沙漠、南极永冻土带可以类比现在的火星环境, 深海和冰下湖可以类比土卫二和木卫二内部的海洋环 境等. 对极端环境及其微生物的研究可以帮助我们更 加准确地评判地外天体是否具有宜居环境. 火星是除地球以外研究最为深入的行星. 早期火 星具有大量液态水甚至海洋[72], 具有核、幔、壳分层 和全球磁场[73,74], 可能发生过板块运动[75,76], 气候湿 润[77], 这些证据表明火星可能一度具有类似于早期地 球的宜居环境. 现代火星地表环境恶劣, 但其地下可能 具有支持类似于地球微生物等生命形式生存的条件, 当前对火星宜居环境和生命的探索已逐渐从地表转入 地下[78]. 太阳系内的一些冰卫星, 如木卫二、木卫三、木 卫四、土卫二、土卫四和海卫一等, 在其表面冰层以 下可能存在液态的海洋, 具有一定的宜居性[29]. 在这些 冰卫星中, 木卫二和土卫二尤为引人关注. 木卫二的海 洋与其岩石层直接接触, 推测可能存在类似地球的深 海热液喷口, 为生命的起源和演化提供了必要的能量 和营养元素[79]. 土卫二表面向外溅射出含水冰颗粒和 有机物的羽状物, 暗示其内部可能存在液态水和一些 生命活动或类似于地球的前生命化学反应过程等[27,80]. 土卫六大气中存在着较复杂的有机合成反应, 其表面 存在富含烷烃的海洋, 被认为是研究太阳系生命起源 和早期生命演化的天然实验室[29]. 对这些太阳系冰卫 星潜在宜居环境的研究使人们认识到宇宙中宜居环境 具有多样性. 寻找可能具有宜居环境的系外行星也是当前天体 生物学研究的热点. 截止到2019年9月, 已发现超过 4000颗确定的系外行星, 另有1000多颗尚待进一步确 认. 尽管人们已经认识到系外行星无论从其本身特点 还是其所处的行星系统都可能与地球及太阳系的其他 4 Downloaded to IP: 192.168.0.213 On: 2019-12-26 10:00:34 http://engine.scichina.com/doi/10.1360/TB-2019-0396