研究宇宙生命的天體生物學面臨的最大挑戰之一是了解生命本身的本質。 一個多世紀以來，生物學家已經認識到，地球上的生命是由DNA、RNA和胺基酸等基本成分建構而成的。 化石記錄進一步揭示了生命演化的無數路徑，產生了種類繁多的生物。 然而，證據也表明，演化的可能性並不是無窮無盡的；趨同和限制因素極大地塑造和限制了生命的形式。

哪些分子形成了RNA？我們能否利用它們來確定宇宙中可能形成生命的地方？ 圖片來源：NASA/Jenny Mottar

這就給天體生物學家提出了一個有趣的問題： 其他星球上的生命可能是什麼樣的？ 我們對地球生物學的了解能否幫助我們預測外星生命？ 聖達菲研究所（SFI）領導的一個研究小組在一項最新研究中探討了這些問題。 透過對不同科學學科的案例研究，他們確定某些基本限制因素使得某些生命形式不太可能存在。

研究小組由里卡德-索萊（Ricard Solé）領導，他是龐培法布拉大學複雜系統實驗室的負責人，也是聖塔菲研究所（SFI）的外聘教授。 與他合作的還有許多SFI的同事以及來自格拉茨大學生物學研究所、複雜多層網路實驗室、帕多瓦網路醫學中心（PCNM）的研究人員、 烏默奧大學、麻省理工學院（麻省理工學院）、喬治亞理工學院、東京工業大學和歐洲生活技術中心（ECLT）。

Archean年代地球的藝術家印象。 圖片來源：Peter Sawyer/Smithsonian Institution。

研究小組考慮了星際探測器如果降落在系外行星上並開始尋找生命跡象可能會發現什麼。 這樣的任務如何辨識出在不同於地球的生物圈中演化的生命呢？ 假設生命出現需要物理和化學前提條件，那麼幾率可能會大得多。 然而，如果我們將目光從演化生物學和天體生物學轉向合成生物學和生物工程，問題就會變得更複雜。

索萊和他的團隊認為，所有這些考慮因素（合在一起）歸結為一個問題：科學家能否預測在我們從地球生物圈中了解到的生命形式之外，還存在哪些可能的生命組織？ 索萊說，在不知道要尋找什麼和合成生物學的挑戰之間，這給天體生物學家帶來了重大挑戰：

“最大的問題是生物特徵的探測。 以適當的分辨率探測系外行星大氣層正在成為現實，並將在未來幾十年得到改進。 但是，我們怎樣才能確定一個可靠的標準，說測量到的化學成分與生命有關呢？

“[合成生物學]將是這次探險的一條平行線索。合成生命可以提供深刻的線索，告訴我們在特定條件下可以期待什麼以及可能性有多大。對我們來說，合成生物學是一種強大的方式，可以讓我們探究自然界的可能性”。

胺基酸和勝肽結合形成有機細胞的序列。 資料來源：peptidesciences.com

為了研究這些基本問題，研究小組考慮了熱力學、計算、遺傳學、細胞發育、腦科學、生態學和進化論的案例研究。 他們也考慮了先前的研究，試圖根據趨同演化（不同物種獨立演化出相似的特徵或行為）、自然選擇和生物圈施加的限制來建立演化模型。 索萊說，他們從中發現了所有生命形式都必須具備的某些條件：”我們研究了最基本的層面：在資訊、物理和化學邊界似乎不可避免的情況下，跨銷售的生命邏輯。例如，細胞作為基本單位，在結構上似乎是一個預期的吸引物：囊泡和膠束自動形成，並允許離散單位的出現。

作者也列舉了歷史上的一些例子，在這些例子中，人們預測了生命的一些複雜特徵，而生物學家後來證實了這些特徵。 一個重要的例子是埃爾溫-薛定諤1944 年發表的《什麼是生命？ 》一書，他在書中預言遺傳物質是一種非週期性晶體–一種不重複但仍有精確排列的結構–它能編碼指導生物體發展的訊息。 這項提議激發了詹姆斯-沃森和弗朗西斯-克里克的研究熱情，使他們在1953 年發現了DNA 的結構。

不過，索萊說，約翰-馮-諾依曼的工作也比分子生物學革命早了很多年。 他和他的團隊提到了馮-諾依曼的”通用構造器”概念，這是一種基於細胞生命和繁殖邏輯的自我複製機器模型。索萊總結道：”原則上，生命可以採用非常多樣的構型，但我們認為，所有生命形式都將具有一些不可避免的共同特徵，例如線性資訊聚合物或寄生蟲的存在。”

馮-諾依曼的自我複製通用構造器的首次實作。 圖中顯示了三代機器：第二代機器幾乎完成了第三代機器的構造。 圖片來源：維基媒體／Ferkel

同時，他補充說，在天體生物學能夠有把握地預測宇宙中的生命形式之前，還有許多工作要做：

“我們提出了一套案例研究，涵蓋了生命複雜性的廣泛特性。這為發展基本原理提供了一個明確的路線圖。 在某些情況下，例如寄生蟲的不可避免性，觀察結果非常有力，我們對為什麼會發生這種情況有了一些直覺，但還沒有一個普遍的理論論證。 。

研究小組的論文《生命系統邏輯的基本限制因素》發表在《界面聚焦》（英國皇家學會出版品）。

改編自Universe Today上最初發表的一篇文章。