【编辑推荐】
1角度新颖，从分子和基因角度讲述每一种生命功能演化的历史。
2从微观角度证明，地球上所有生物都来源于共同的祖先。
3作者为资深科学家，此书耗时五年，查阅前沿文献两万多篇，革新了很多误解和陈旧观点。
【内容简介】
生命现象是我们这个星球上至为复杂和有趣的自然现象，关乎我们人类对自身的认识。
《生命通史》不同于以前中外作者习惯采用的主要从外部形态、生物种类等宏观层面描述生物演化史的书写模式，而是以生物的各种功能的演化作为主要线索，揭示了能量摄取、信息传递、结构形成、运动、繁殖、感觉、摄食、防卫、意识……等各种功能的起源和演化历程。
《生命通史》不仅仅描述了生物体各种功能的演化史，同时更为重要的是呈现了功能演化的深层机制，即包括基因在内的种种分子层面上的不断演化，从“内部”揭示了生物演化的脉络，以及地球上如此复杂多样、缤纷绚丽的生物界在分子层面所具有的惊人的一致性。
生物在分子机制上具有高度的一致性和连续性，但其宏观结构和行为上又具有高度的差异性和多样性，这是几十亿年来地球生物旺盛的生命力和顽强适应能力的明证，也是用分子、原子作为文字而书写的地球生命的宏大史诗。
《生命通史》是生物演化的一部“内史”，所凭借的是20世纪后半期以来分子生物学迅猛发展的诸多成果，本书将这些有趣的发现从26000多篇前沿专业文献内筛选出来，通过较为生动简易的方式呈现给普通知识读者。
【作者简介】
朱钦士，四川省成都市人。毕业于北京大学生物学系生物化学专业，后取得荷兰阿姆斯特丹大学生物化学博士学位。研究领域广泛，包括生物能、酶的结构与功能、蛋白质的合成与转运、癌症与染色体、神经递质、基因表达的调控机制以及肝脏解毒系统等。在国外主要学术杂志上发表研究论文三十余篇。曾任中国科学院生物物理研究所硕士研究生导师和美国南加州大学医学院生物化学与分子生物学系副教授。曾为《科学网》《中国科普博览》《生物学通报》《科学》等杂志上撰写过多篇科普文章，并出版了科普著作：《上帝造人有多难——生命的密钥》（清华大学出版社，2015年，该书被评为“中国好书”），《纷乱中的秩序——主宰生命的奥秘》（科学出版社，2019年），参编了《十万个为什么》（上海儿童出版社第6版）。
【目录】
自序/
**章 我们的宇宙是生命的摇篮
**节 碳元素是生命的核心元素 / 1
第二节 生命的原料宇宙中都有 / 4
第三节 原始细胞可以在自然条件下形成 / 7
第四节 RNA催化了*早的生命 / 10
第五节 水在宇宙中并不稀少 / 15
第二章 了不起的原核生物
**节 生命乍现 / 17
第二节 神通广大的原核生物 / 18
第三节 蛋白质催化原核生物 / 21
第四节 RNA和蛋白质的华尔兹 / 25
第五节 DNA取代RNA成为遗传物质 / 28
第六节 随机应变的基因调控 / 31
第七节 细胞的“墙壁”和“门户” / 33
第八节 氧化还原反应供给能量 / 36
第九节 “蓄水发电”合成ATP / 37
第十节 破解烧碳难题 / 41
第十一节 正转和反转的三羧酸循环 / 43
第十二节 发明光合作用 / 46
第十三节 “骨骼系统” / 53
第十四节 喧闹中的秩序 / 57
本章小结 / 59
第三章
更上一层楼的真核生物
**节 什么是真核生物 / 60
第二节 线粒体是关键 / 62
第三节 细胞核出现 / 64
第四节 组蛋白和染色体 / 68
第五节 端粒和端粒酶 / 69
第六节 “骨骼系统”和“肌肉系统” / 73
第七节 有丝分裂 / 82
第八节 “胃”和“回收中心” / 84
第九节 被收容的叶绿体 / 89
第十节 内质网和高尔基体 / 92
第十一节 蛋白质的“路牌” / 95
第十二节 对生物膜“动手术”的蛋白质 / 101
第十三节 膜系统是如何出现的 / 103
本章小结 / 106
第四章 细胞分工的出现——多细胞生物
**节 单细胞巨无霸 / 108
第二节 演化为多细胞生物的各种尝试 / 109
第三节 生殖细胞和体细胞 / 118
第四节 干细胞 / 119
第五节 永生的生殖细胞 / 126
第六节 体细胞的衰老和死亡 / 130
第七节 细胞的程序性死亡 / 143
第八节 叛逆者——癌细胞 / 148
本章小结 / 153
第五章 植物、动物、真菌的起源**节 体外消化获得营养的真菌 / 157
第二节 体内消化获取营养的动物 / 160
第三节 超级生产者——植物 / 170
本章小节 / 186
第六章 巧夺天工的生物结构
**节 直接接触形成结构 / 190
第二节 远程控制生物结构 / 199
第三节 生物结构形成的各种理论 / 204
第四节 执行扩散性信号的基因 / 209
第五节 四肢的形成 / 212
第六节 眼睛的形成 / 221
本章小结 / 229
第七章 生物性史**节 从无性到有性 / 232
第二节 破解有性生殖的难题 / 236
第三节 细胞选择和异性选择 / 243
第四节 怎样避免近亲交配 / 244
第五节 孤雌胎生和世代交替 / 247
第六节 有性生殖的回报系统 / 248
第七节 求偶竞争 / 250
第八节 令人困惑的性染色体 / 252
第九节 决定性别的基因 / 253
第十节 男性会消失吗 / 255
本章小节 / 256
第八章 细胞的信号传输系统**节 蛋白质分子的信息开关 / 258
第二节 原核生物的信号系统 / 261
第三节 动物的单成分系统 / 269
第四节 动物的双成分系统 / 272
第五节 动物的多成分系统 / 275
第六节 动物的G蛋白-蛋白激酶A系统 / 279
第七节 传递信息的磷脂分子 / 282
第八节 神经细胞是信息的高速公路 / 285
第九节 神经细胞的信号输出 / 291
第十节 神经细胞可能是从上皮细胞演化而来的 / 294
第十一节 膜电位的演化 / 297
本章小结 / 301
第九章 病 毒
**节 种类和繁殖 / 303
第二节 病毒的起源 / 306
第十章 生物的防卫系统
**节 细菌的防卫系统 / 311
第二节 动物的先天免疫系统 / 315
第三节 植物的防卫系统 / 319
第四节 脊椎动物的适应性免疫系统 / 321
第五节 解毒和排毒 / 331
本章小结 / 335
第十一章 生物与空间和时间
**节 生物与空间 / 337
第二节 生物与时间 / 342
本章小结 / 357
第十章 生物的防卫系统
第十二章 动物的感觉
**节 感受电磁波的视觉 / 359
第二节 感受机械力的听觉、自体感觉和触觉 / 391
第三节 味觉和嗅觉 / 413
第四节 痛和痒 / 425
本章小结 / 439
第十三章 动物的意识与智力
**节 生物的两种反应类型 / 441
第二节 感觉是*初的意识 / 443
第三节 记忆的形成 / 445
第四节 有情绪和智力的昆虫 / 449
第五节 聪明的章鱼 / 454
第六节 鸟类的智力 / 455
第七节 哺乳动物的智力 / 460
第八节 意识和智力的演化 / 462
第九节 精神和物质 / 467
第十节 人还会变得更聪明吗 / 468
本章小结 / 475
第十四章 外星生命
**节 生命的偶然与必然 / 479
第二节 对外星生物的猜想 / 480
主要参考文献 / 487
索 引 / 495
【前言】
前言：我们从哪里来
“我们从哪里来”？这是人类在对自身的思考中一定会提出的问题。不管是哪个人类种群，也不管是在什么时代，提出这个问题时人类的知识水平如何，都一定会想到这个问题，并且会在当时人类的认识水平上来回答。我们不能准确地知道人类是从什么时候开始问这个问题的，但是毫无疑问都是开始于人类在科学知识上还相当有限，而且相信和崇拜神的力量的年代。在这些时代背景下给出的答案自然会充满神话色彩，譬如中国的女娲造人，古希腊的普罗米修斯造人，古希伯莱的典籍中的“创世纪”等等。
这些故事都是先有神，后有人，而且是神按照自己的形象创造了人。用泥捏人也很容易理解。用水调和的泥细腻可塑，干后形状固定，早已经被人用来烧制砖瓦和陶器，而且被用来塑造神像和人像。看看庙里那些栩栩如生的用泥塑的人物和神灵，就知道人类不仅能够用泥土塑造出人，而且还根据人的形象塑造出神。这些体型巨大，色彩鲜艳的神的塑像一经造成，也就被赋予了精神的力量，使得无数人相信它们具有超自然的神力，而对它们顶礼膜拜。而且东方人造的神像东方人，西方人造的神像西方人。即使在今天，你如果到寺庙去，仍然可以看香火鼎盛，有大量拜神的人。所以神造人的想法，实则是人造神想法的逆向思维。
不过神创论并不是对生命起源这个问题真正的回答。既然神能够创造人和各种生命，神就比人“神通广大”，不仅有人的智慧和能力，而且有超过人的智慧和能力。“神”其实就是在想象中被扩大了的“人”。要想知道“人”的来源，也就必须知道“神”的来源。这只不过是把“我们从哪里来”的问题推到“神从哪里来”的问题而已。
人的生命是短暂的。即使人能够活到100岁，也不容易察觉到生物物种的变化。“种瓜得瓜，种豆得豆”，人老年时吃的蔬菜和年轻时并无不同，老年时从河里捞出来的鱼也和小时候一样，老年时看见的鸡也和小时看见的鸡相同。人一代一代地繁衍，生出来的还是人，就连人们供奉的神也多少年不变。这自然会使人觉得物种是不变的。就是相信人和各种生物是神创造的人，也认为他们被神创造出来后，就一直是这样，只有繁衍，没有变化，就像典籍里说到那样，人被创造出来就是“管理海里的鱼，空中的鸟，地上的牲畜，和全地，并地上所爬的一切昆虫”。至于人本身，和人管理的鱼、鸟、牲畜、昆虫，都是不会变的。
既然物种不会改变，对于“我们从哪里来？”的问题，也可以有另一种思考，就是各种生物，包括人，不是谁创造出来的，而是“自来就有，一直这样”，也就是没有起始的。佛教就是这样认为的。按照佛教的说法，这个世界是没有起始，也没有结束的，只有因果循环。生命也是这样，“一切世间如众生、诸法等皆无有始”（《佛光大辞典》），所以根本没有“我们从哪里来”的问题。
所以无论是神造人，还是佛教认为的人“自来如此”，根本不去想各种生物是怎样来的，都觉得物种是不变的。但我们只要多思考一下，就会发现事实和这个看法相反。只要看看我们周围的许多动物和植物，就会发现它们不可能是“自来就有”的。例如人们喜爱的金鱼，就有150多个品种。颜色有红、橙、紫、
蓝、黑、银白、五花等；头型有虎头、狮头、鹅头、高头、帽子头和蛤蟆头；眼睛有正常眼、龙眼、朝天眼和水泡眼。多数金鱼的尾巴还是双尾，双尾中每片尾巴的形状、结构和鲫鱼的单尾基本一致，说明它是由单尾加倍而来的。有这些特点的金鱼显然不是“自来就有”，存在于自然界中的，它们在野外也根本不能生存。科学研究表明，金鱼起源于我国食用的野生鲫鱼。金鱼*初产于中国浙江，然后传至世界各地。它首先由黑灰色变为红黄色，成为“金鲫鱼”，然后再经过不同时期的家养，由金鲫鱼逐渐变成为各个不同品种的金鱼。金鱼的例子表明，物种是可以变化的。
与金鱼类似的是锦鲤。锦鲤有9大品系，100多个品种。野生的鲤鱼和野生鲫鱼一样，是黑灰色的，而且背部的颜色比腹部颜色深，这样无论是从水上看还是从水下看，都不容易被发现，所以是一种保护色。而锦鲤却因为色彩鲜艳而成为观赏鱼。但是锦鲤鲜艳的颜色并不适于在野外生存，因为极易被天敌发现。所以锦鲤和金鱼类似，是由野生鱼类在人工饲养的条件下变化而来的。与金鱼不同的是，锦鲤和野生鲤鱼一样，都是单尾，说明金鱼从单尾到双尾的突变在锦鲤形成过程中未曾发生过。
狗的种类也很多。世界犬业联盟（FCI: Federation Cynologique Internationale）公认的狗就有337种。它们在大小、形状、毛色、习性上相差极大，按功能分可以分为牧羊犬、狩猎犬、工作犬（带路、追踪、畜牧、运输、警卫等）和玩赏犬。这么多种狗也不可能是“自来就有”的，而是人类从狼培育而来的。除了金鱼和狗以外，其他家畜家禽如牛、羊、马、猪、兔、鸡、鸭、鹅、鸽，人类栽种的庄稼、果木、花卉，也都有许多自然界中没有的品种。
比起人工养殖的动物和植物变异的例子，自然界中生物物种的变化要大得多。这可以从不同时期生物留下的化石看出来。这有点像城市的考古发掘。现在中国就是一个大工地，人们在开挖地基的时候，常常会挖掘到过去城市的遗址。越是接近地表的地层，年代和现代越接近，越在下面的地层，时代越久远。比如*上层的是清代的街道遗址，下面是明代的，再往下依次是元代、宋代、唐代、隋代、汉代、甚至秦代的。生物的化石也一样，越是往下的地层，埋藏的生物化石越古老。如果检查不同地质时期的生物化石，就会发现它们随着地层的变化而变化。越古老的地层中，生物的形式越简单。*古老的生命形式埋藏在约38亿年前的地层中；单细胞的真核生物（具有细胞核的生物）出现在16亿至21亿年前的地层中；简单的多细胞生物出现在约10亿年前；复杂的生命形式在约5亿年前出现；而人类的*古老的化石只有约200万年的历史。这说明物种不是不变的，而是从简单变成复杂，从低级变成高级，*后产生了哺乳类动物，其中又产生了灵长类动物，*后才产生了人。既然鲫鱼可以变成金鱼，狼可以变成各种不同的狗，野生稻可以变成高产水稻，为什么复杂的生物就不可以从比较简单的生物变来呢？1859年，英国生物学家查尔斯·达尔文（Charles Robert Darwin，1809—1882）根据他在航海考察中对大量生物及其变种的观察，提出了生物演化的观点。在他的《物种起源》（The Origin of Species）一书中，达尔文认为地球上的生物是由少数的共同祖先，经过变异和自然选择而来的。这个理论阐明了地球上所有生物之间的发展关系，是理解生物多样性的基础。达尔文当时主要是根据各种生物的外形和构造来推断出他的结论的，随后发现的生物的细胞结构和在分子水平上高度的一致性有力地支持了他关于生物演化的思想。
在神造生物的故事中，人与其他生物之间，以及其他生物的不同种类之间，是不需要什么共同性的，神造它们什么样就是什么样。孔雀和菊花，蝴蝶和菠菜之间，好像就完全没有共同性。而如果复杂生物是由简单的生物演变而来，那么复杂生物就一定会带有简单生物的一些特点，也就是生物之间有共同性。所以生物之间有没有共同性，也是检验神创论和生物演化论的一个指标。科学研究表明，地球上的生物是有共同性的，首先被发现的共同性就是细胞构造。
在显微镜发明之前，人们是不知道细胞的。细胞的大小从1微米到几十微米，而在30厘米的距离（人们观察物体细节的距离，也是阅读时离书或屏幕的距离）上，人眼的分辨率是100微米左右，自然看不见细胞。在这种情况下，人们也会认识到高等动物（如牛、羊、狗、猫、兔等）和人的构造有相似之处，比如都有四肢，都有头部，头部都有两只眼睛、两只耳
朵、两个鼻孔、一个嘴巴，而且位置安排和人相当。它们也有心、肺、肠、肝、肾等器官。但是人和蝴蝶好像就没有什么共同之处，和花草树木好像更是完全不同的生物。但是到了16世纪中期，显微镜出现了，人们才发现原来地球上所有的生物，无论大小形状，简单还是复杂，都是由大小类似的细胞组成的。细胞的形状和功能虽然不同，但是基本的结构却是相同的。对于真核生物来讲，就是都有细胞膜，细胞核，细胞器，比如所有的真核细胞都含有“线粒体”作为细胞的“动力工厂”。
就凭这一点，神造人就有点麻烦了，决不是像神话里面说的，神往人泥胚的鼻孔里“吹一口气，有了灵，人就活了”那么简单。比如人就是由大约60万亿个细胞组成的，而且这些细胞还分为200多种类型，包括神经细胞，皮肤细胞，肌肉细胞，肝脏细胞等等。要让泥胚变成活人，必须在吹气的那一霎间，泥土变出亿万个结构精细，功能各异的细胞来才成。
不仅如此，泥土的成分主要是硅酸盐，组成泥土的元素主要是氧、硅、钙、铝。而组成人体的元素却主要是氧、碳、氢和氮。这四种元素就占人体重量的96%。神要从泥土造人，不仅要从泥土变出细胞来，还必须有在吹气的那一瞬间，把硅、钙、铝变成碳、氢、氮的本事。这是现今***的科技也办不到的事情。
生物化学和分子生物学的发展，更是从分子水平上揭示了地球上生物的高度统一性。例如地球上所有的生物都用磷脂组成细胞膜；都用脱氧核糖核酸（DNA）作为遗传物质；用同样的四种核苷酸（脱氧腺苷酸、脱氧鸟苷酸、脱氧胸苷酸和脱氧胞苷酸）组成DNA；用同样的密码子为蛋白质中的氨基酸序列编码；遗传单位都是“基因”（为蛋白质编码的DNA片段和它的“开关”）；使用同样的20种氨基酸来组成蛋白质，从DNA的序列到蛋白质中氨基酸的序列都使用信使核糖核酸（mRNA）作为中介；都使用三磷酸腺苷（ATP）作为“能量通货”，都用葡萄糖作为主要的“燃料分子”，都使用“三羧酸循环”作为化学反应的中心枢纽等。所有这些共同性都证明了达尔文当年的想法，即地球上所有的生物都出自同一个“祖宗”，因此所有的生物都是或近或远的亲戚。
说到这里，神造人的故事就越来越难以成立了。要真的变泥胚为人，不仅要用泥变出亿万个细胞来，把泥土中的硅、钙、铝变成碳、氢、氮，还必须让泥土变出DNA、蛋白质和人体的2万多个基因。即使神也是伟大的科学家，通晓所有这些知识，但是要让泥土做这样的转变，在科学上还是不可能的事情。当然相信神创论的人可以说，神是**的，这些困难都不在话下，宇宙中的自然规律也可以随意被神打破，神想做什么就可以做什么。我们尊重他们的意见，因为这已经不是科学上的争论，而是信仰的问题。我们写这本书的目的，也不是去思考神怎样造人和其他生物，而是从**的科学知识的基础上，探讨生物和它们复杂的结构和功能是怎么产生的。在过去的几十年中，人类对于宇宙形成和生命现象的研究取得了极大的进展，已经使得我们可以在分子水平上详细地论述生命的产生和演化的过程，回答“我们从哪里来”这样的问题。
在过去的几十年中人类对生命研究的一个重要进展，就是可以去研究各种生物的“设计手册”，即DNA中包含的全部遗传信息。这是生物*核心的“机密”，因为它规定了一个生物体该如何建造。在过去，对于DNA和蛋白质的研究虽然也取得了很大的进展，但是这些信息毕竟是片段和局部的。要更进一步研究不同生物之间的关系，就要全面系统地比较它们的全部遗传信息。这个“设计手册”在英文中叫做genome，在中文中叫做“基因组”。比较不同生物的基因组，看哪些基因保留了，哪些基因新出现了，哪些基因变化了，哪些基因消失了，就可以判断出生物之间的内在关系。
不过要测定一种生物，特别是复杂生物的基因组（即全部DNA序列）决非易事。比如人的基因组含有30亿对核苷酸，相当于人的“设计手册”是由30亿个字母写成的。这30亿对核苷酸分存在23对染色体中，相当于这本“设计手册”分为23本分册。1990年，美国的国立卫生研究所（NIH）出资30亿美元来进行这项计划，相当于每测1个“字母”预期要花1美元。按照当时的技术水平，一次DNA测序只能读出几百个“字母”，要把30亿个字母读完，还要把这些片段序列按照正确的顺序连接在一起，工作量可想而知。经过科学家们持续不懈的努力，这项工作终于在2000年完
成，并且作为对人类研究史上的里程碑，在2000年6月26日由当时的美国总统比尔·克林顿（Bill Clinton）和当时的英国首相托尼·布莱尔（Tony Blair）一起宣布。
随着DNA测序技术的不断改进，对人类和其他生物基因组的测定速度也越来越快。据美国生物和医学数据库（NCBI）的记载，目前已经完成测序的真核生物的基因组有2,491个，包括人、已经灭绝的尼安德特人、黑猩猩、大猩猩，长臂猿、短臂猿、狒狒、牛、马、猫、大鼠、小鼠、蜜蜂、果蝇、蚊子、线虫等动物的基因组，拟南芥、大米、田芥菜、葡萄、胶杨、红藻、绿藻等植物的基因组，以及酵母等真菌的基因组。初步完成的真核生物基因组有607个，正在进行的有4,427个。已经被测定的细菌基因组有11,506个、初步完成的有5,216个、正在进行的有12,702个。这就为系统地比较生物之间的遗传物质准备了条件。
对这些“设计手册”的比较分析表明，从低等生物到高等生物，所使用的蛋白质和为这些蛋白质编码的“基因”是一脉相承的，生物的发展在基因水平上有清楚的脉络。比如肌肉被认为是动物特有的，但是组成肌肉的基本成分，肌球蛋白（myosin）和肌纤蛋白（actin），在单细胞的酵母和变形虫中就有了。在这些单细胞的生物中，这些蛋白质就具有产生机械拉力的功能，用于细胞运动，细胞内的物质运输，以及在细胞分裂时形成环，环的收缩把细胞“勒”断为两个。动物的肌肉系统，不过是在这些基本的机制上发展出来的。我们现在的任务，就是要探讨生物*初的基因和功能是如何产生和发展的。
对陨石和星际尘埃的研究表明，它们上面常常含有许多有机物，包括组成DNA所需要的碱基和组成蛋白质所需要的氨基酸，说明生命所需要的分子可以在地球以外形成。作为地球上生命的介质，水，在宇宙中也普遍存在。比如彗星的核常常含有大量的水。木星的卫星欧罗巴（Europa），在表面的冰层下面有深达100公里的海洋。地球的“兄弟”火星上曾经有大量的水，还曾经在火星表面冲出数公里深，几十公里宽的河谷。就是在干燥的星球如月球上，水也在极地被发现。这些研究结果说明，生命的种子和形成生命的条件在宇宙中广泛存在。
许多生物演化史是根据年代先后，详细列出不同生物出现的时间点，例如什么时候鱼类出现，什么时候鸟类出现等。本书的目的不是要详尽地叙述这个过程，而是从分子及其相互作用的基础上，论述生命分子的出现和生物功能的形成，所以是从生命的“内部”来看生物的形成和发展。作者希望，从这个角度出发的论述能够带给读者对生命现象新的理解。在本书的附录中，我们还给出各章的主要参考文献，方便读者进一步阅读。附录中还有索引，帮助读者迅速找到感兴趣的内容。
【免费在线读】
对外星生物的猜想
因为外星是“天外之物”，离我们*近的地球样行星（围绕红矮星旋转的Wolf 1061c）也在14光年之外，光是银河系就有10万光年大小，更不要说数以亿万计的其他星系。人们对外星生物的猜想，也容易类似于人们对神仙的想象，即外星生物神通广大。例如美国电影E.T.中，外星人可以手指一点，人身上的伤口就立即愈合，而且骑上自行车还可以飞起来。外星人的飞船也被描述为“是用元素周期表以外的金属做成的”，所以有地球上的物质不可能具有的奇特性质。
人们有这种想法是很自然的。由于我们的宇宙极其广大，也许什么事情都可能发生。外星生命可以使用与地球上的生命完全不同的形成原理和演化路线，我们似乎可以不受任何限制地任意想象这些外星生物的构造和他们使用的材料。
但在实际上，外星生物和地球上的生物一样，也要受到我们宇宙中自然规律的制约。按照一些科学家的想法，我们的宇宙不是**的，而只是众多宇宙中的一个。每个宇宙有自己的运行规律，之所以在我们的宇宙中产生了生命，是我们这个宇宙运行规律作用的结果。其他宇宙如果有不同的运行规律，例如有不同的物理和化学定律，它们就不可能形成我们宇宙中的生命。而我们的宇宙，无论它有多大，起作用的物理和化学定律在这个宇宙的各个地方都是一样的，外星生命也因此必须受以下两个规律的制约：
（1）我们宇宙中的所有的常规物质（暗物质以外的物质），包括生命物质，都是基本粒子（电子、质子和中子）按照同样的物理原则形成元素周期表中的近100种化学元素组成的。无论我们探测的星系多么遥远，光谱所显示的化学元素都跳不出元素周期表的范围。所以外星生命和地球上的生命一样，也必须由元素周期表中的元素组成，不可能由周期表以外的元素组成。外星生命所使用的材料（包括自己身体的建造和工具的建造）也不能超出元素周期表的范围。
（2）这些元素也按照同样的物理和化学定律形成原子和分子并且进行化学反应。无论我们探测多么遥远的星云，里面的化学物质都可以用同样的化学规律进行解释并且在地球上实验室中的模拟条件下被生产出来。无论在我们这个宇宙的哪个“角落”，只要化学反应的条件相同，反应形成的产物也是一样的。
从这些基本事实出发，再加上地球上生命发展的历程对我们的启示，我们就可以对外星生命做一些猜想。
很可能也是以水为介质的
外星生命以水为介质，首先是因为在我们的宇宙中，水几乎无处不在。恒星中的热核反应会形成大量的氧，使氧成为氢和氦以外*丰富的物质。而氢又是这个宇宙中*丰富的元素，二者的结合自然会形成大量的水，而且几乎无处不在。
水的特性也使它特别适合作为生命中化学反应的介质。水分子是极性分子，水分子之间和局部带电的众多其他分子之间可以形成氢键，因而可以溶解宇宙中自然
形成的化合物，例如碳水化合物、嘌呤、嘧啶等，而且水分子可以活跃地参与各种化学反应。小分子形成聚合物，例如氨基酸形成蛋白质，单糖形成多糖，核苷酸形成核酸，都是通过缩水反应完成的。反过来，水分子也可以被加回去，让聚合物变回单体，即水解。
由于水分子之间可以形成氢键，水分子虽小，沸点却很高，在一个大气压下，低于100摄氏度即可以变为液体，不像碳氢化合物要在低得多的温度下才能为液体。例如甲烷的相对分子质量（16）与水的相对分子质量（18）相近，但是要在-161摄氏度才能从气体变为液体。由于化学反应的速度是随温度升高而加快的，液态水的温度可以使化学反应以比较快的速度进行，能够满足活跃的生命活动的需要。
水还有另一个神奇的特性，就是在4摄氏度时密度**，低于4摄氏度时密度反而降低。这是由于4摄氏度时水分子的排列*紧密的缘故，温度再降低水分子逐渐按照冰中水分子的排列，分子之间的空间反而更大。水的这个特性使得海洋和湖泊在结冰时，冰浮在水面，液态水反而在冰层下。这就可以保护冰层以下的生物不会被冻在冰里。如果水的密度随温度降低而降低，海洋湖泊就会从底部冻起，*后使整个水体冻透，里面的生物也难以生存了。
从这些事实出发，可以认为外星生命应该也以水为介质。科学家在提出“宜居带”的概念时，也是以液态水的存在为标准。
土星的卫星土卫六表面也有湖泊，但是湖泊里面的液体不是水，而是液态的甲烷。土卫六的大气98.4%为氮气，1.4%为甲烷，氢占0.1%~0.2%，密度是地球大气的1.45倍。土卫六的表面温度为-179.2摄氏度。在这样的环境中是否能够形成生命，是一个有趣的问题。
甲烷分子是非极性的，和水分子这样的极性分子不同，所以要在土卫六上形成生命，所使用的机制应该和以水为介质的生命相反。例如地球上的生命使用磷脂组成双层细胞膜，亲脂的脂肪酸碳氢链在膜内，亲水的磷酸根在膜表面与水环境接触。如果要以甲烷为介质，膜的构造应该反过来，亲水的部分在膜内，亲脂的部分在膜表面。出于这个想法，有人提出了“反转的磷脂膜”（inverted phospholipid bilayer）的想法。但是在土卫六**低温的条件下，十几个碳长的碳氢链会变得异常僵硬，反转的磷脂膜会失去柔韧性，细胞膜必须由比较小的分子构成。用化学模拟的方法，美国科学家提出用存在于土卫六的大气中（大约10 ppm, 1个ppm为百万分之一，part per million）的丙烯腈（acrylonitrile）组成细胞膜的想法。bing腈眼分子由于一头带部分正电，另一头带部分负电，它们能够以头尾颠倒排列的方式组成膜和小囊。理论计算表明，由丙烯腈在甲烷液体中形成的膜具有磷脂膜在水中相似的柔韧性，有可能起到甲烷液体中细胞膜的作用。
土卫六的大气中还含有大量的氰化氢（HCN，200 ppm），可以聚合成多种形状的长链聚合物，其骨架由不同比例的碳原子和氮原子组成。这些长链化合物能够溶解在液态甲烷中，成为可能的生命大分子。更有趣的是，这些化合物还能够吸收可见光，因而可以利用太阳光的光能驱动化学反应。这些研究结果似乎表明，以非水液体为介质的生命也是可能的（图14-2）。
但是土卫六上极低的温度使得化学反应不可能以比较快的速度进行，难以支撑活跃的生命活动。即使这样的生命真能形成，其新陈代谢也会是极其缓慢的，很可能不能超越单细胞生物的阶段。而且甲烷湖泊下面就是深达几十千米的水的海洋，这些水是有可能通过冰层上的裂缝与甲烷接触，从而干扰以甲烷为介质的生命的生成。在以水为介质的生命中，高能化学物是以磷酸根为基础的，而在甲烷的介质的生命中，含磷酸根的化合物不能被溶解，因此难以成为这些生物的高能化合物。在这些生命形式中用什么分子形成高能化合物，也是一个难以回答的问题。因此，以上的设想虽然具有一定的理论意义，但是在土卫六的甲烷湖中形成生命的可能性不是很大。
外星生命很可能也是以碳为基础的
生命需要的复杂大分子以储存遗传信息和催化多种化学反应。而复杂分子需要稳定的“骨架”，问题是什么元素才能形成这样的骨架。周期表内目前有118种化学元素，其中天然存在的化学元素有94种，其余24种为人工合成的元素。百种左右的元素，好似选择很多，其实原子能够彼此相连，形成稳定的长链或者环形结构的元素少之又少。在天然存在的94种元素中，绝大多
数为金属元素，而金属元素是无法形成链状或者环状骨架的。非金属元素中的惰性气体（氦、氖、氩、氪、氙、氡）根本不发生化学反应，自然不用考虑。卤族元素（氟、氯、溴、碘）只能以单化学键与其他原子相连，也不能连成链或环。氧、硫、硒的原子是二价的，即使能够连成链，也无法再连上别的原子，形成有生物功能的分子，况且在实际上，它们也并不能形成长链。这样余下的非金属元素就只有硼、碳、氮、硅、磷、砷6种。其中氮、磷、砷的原子不能形成长链。硼原子可以彼此相连或者通过氢原子相连，形成笼状的骨架，上面再连上氢原子，形成硼烷（Borane，例如六硼烷B6H10）（图14-3），但是这样的分子构造简单且封闭，数量也有限，不大可能成为组成生命的分子，也不见于地球上的生物体中。于是剩下可以考虑的就只有碳和硅。
硅和碳元素在元素周期表中属于同一族，能像碳原子那样用化学键与别的原子相连，并且能彼此相连形成长链，链上再连上氢原子形成硅烷（Silane）。它还能结合其他元素形成功能基团，比如和羟基（—OH）相连形成羟基硅烷，所以有人推测有些外星上的生命可能是以硅为基础的。但是硅—氢化合物在水中容易水解，所以这样的生命不能用水为化学反应的介质。再考虑到水在宇宙中几乎无处不在的情形，以硅为基础的生命出现的可能性不大。
碳原子位于第二周期的中央，外层有4个电子（两个s电子和两个p电子），说多不多，说少不少，既不容易完全失去电子，也不容易完全获得电子，而是可以用化学键（通过s电子和p电子的杂化轨道）与其他原子形成共价键，也能够彼此相连形成长链和环状骨架。由于碳原子能够以共价键与别的原子相连，除了碳原子彼此相连外，还可以和其他的原子或者功能基团相连，形成具有各种功能的复杂化合物，因此碳原子*适合作为生物大分子的骨架。地球上的生命分子就
是*好的例子。葡萄糖、脂肪酸、氨基酸的分子都是以碳为骨架的。看看煤和石油，就可以实际感受一下地球上的生命以碳为基础的事实。煤和石油就是过去地球上的生物被埋在地下，经高温高压分解，所遗留下来的碳骨架。
碳也是宇宙中含量很高的元素。由于质量大于3个太阳质量的恒星就可以通过热核反应合成碳，碳是宇宙中含量第4高的元素（0.46%）。除含量**的氢（73.9%）和氦（24.0%）以外，碳的含量仅次于氧（1.04%）。在星际尘埃中发现的各种化合物，大部分是含碳或者以碳为骨架的分子。例如糖类、氨基酸、脂肪酸、嘌呤和嘧啶。在其他星球上原始生命形成时，这些化合物，由于含量丰富，自然也容易被当作生命分子中的**。
由于这些原因，外星生命有极大可能也是以碳为基础的。当然以碳为基础的生命不一定要采用现在地球上生命的模式。比如遗传物质就不一定是DNA或RNA，执行催化功能的分子（酶）也不一定是蛋白质。但是具有类似功能的生物大分子很可能也是以碳为骨架的。
应该是由细胞组成的
生物体内部的物质组成和外部无生命的环境的物质组成有极大的不同。要形成生命，*基本的条件就是要把生物体的内容物与外界环境分开。换句话说，*初的外星生命也应当是以细胞的形式出现的。
在地球上，这是通过细胞膜来实现的。细胞膜是两性构造，内部的亲脂环境阻碍水溶性分子通过，而外部的亲水部分又能够与水环境密切接触。如果外星生命也是在水环境中形成的，类似的细胞膜也是需要的。当然外星生物的细胞膜不一定是由磷脂所组成，只要能够形成亲脂的内层和亲水的外层，类似的膜也可以在水中形成。例如2001年，美国航空航天局（NASA）和加州大学桑塔·克鲁兹分校（UC Santa Cruz）的科学家合作，模拟太空中的状况来产生有机物。他们
按照星际冰中物质的比例，混合了水、甲醇、氨、一氧化碳，在类似星际空间的温度（15K，即**温度15度，相当于零下258摄氏度）下用紫外线照射这个混合物。当被照射过的混合物的温度升到室温时，有一些油状物出现。当把这些物质提取出来，再放到水中时，它们就会形成囊泡，直径10~50 微米，正好是真核细胞的大小。这个结果说明，在太空中形成的有机物可以自发在水中形成囊泡结构，这就使得原始细胞的形成成为可能（图14-4，参看图1-8）。
当然只有膜结构还不够。为了与环境进行物质交换，生物所需要的分子必须要有某种方式通过膜进入细胞内，细胞内形成的废物也必须以某种方式被排除到细胞外。这就需要膜上有各种分子通道帮助这些分子通过细胞膜，这些通道也不一定是蛋白质。
细胞膜的形成意味着细胞内外的物质交换只能通过扩散过程来完成。生物所需要的分子必须通过在水中扩散到达细胞膜，再进入细胞内所需要的地点。由于扩散是一个缓慢的过程，这就要求细胞的体积不能太大，以保证细胞有足够大的相对表面积（细胞的表面积和细胞体积之比）来接收外界的分子，同时进入细胞的分子也可以很快到达所需要的位置。由于分子在液态水中扩散的速度在宇宙的各处都应该是类似的，这也决定了外星生物的细胞也不能太大，很可能也是微米级的。
出于同样的原理，外星生物要变得更大，也应该走地球上多细胞生物的道路，而不是单个细胞自身变大。也就是说，大型的外星生物的身体也应该是由细胞组成的（见第四章第二节）。多细胞意味着生物体有内环境。位于身体内部的细胞也必须有某种方式获得所需物质的供应，某种形式的输送系统是必要的。
只要有光就会有会光合作用的生物
生命活动是靠能量来驱动的。虽然各种星球上有各种能量形式，例如放射性同位素的衰变、磁场、物体移动的动能（例如风能，水流和波浪的动能）、势能（物体从高处落下释放的能量）、热能（由温度梯度提供），这些能量形式都难以被生物所利用。能够被生物利用的，只有跨膜离子梯度、氧化还原反应释放的化学能，以及来自恒星的电磁辐射能。
膜两边不同浓度的离子分布本身就是能量储存的一种方式。在地球上，海底热泉可以在膜状结构的两边形成氢离子梯度，而这是生物可以加以利用的能量形式。地球上生命起源的假说之一，就是生命*初在海底热泉周围形成。如果其他星球上也有类似的海底热泉，生命也有可能在那里形成。
如果星球上有可以被氧化的物质，例如氢气，甲烷，也有能够接受电子的物质，例如硝酸盐，它们之间的氧化还原反应也可以被生物所利用。地球上*初的生物可能也是通过这种方式获得能量的，至今一些微生物仍然用这种方式获得能量。
但是海底热泉毕竟有限，还原物和氧化物的供应也有限，也不是随处都有。生物*稳定可靠，随处可得的能源，还是来自恒星的电磁辐射，而且能够接收这些辐射的能量的分子可以多种多样。在*初的生命形态出现后，能够进行光合作用的生物早晚会出现。地球上能够
进行光合作用的蓝细菌是地球上*古老的生物之一，估计能够进行光合作用的外星生物也会在生命诞生后不久就出现。而且由于它们有稳定的能源供应，比用氧化还原反应获得能量的生物更有优越性，因而容易发展起来。
由于不同的恒星发出的电磁辐射光谱不同，用来吸收这些电磁波的色素分子构造也会不一样，因此进行光合作用的外星生物不一定是绿色的。
异养的生物也应该出现
由于适于进行光合作用的光辐射能量密度很低，通过光合作用积累有机物质的速度是很慢的。地球上的植物经过亿万年的演化，光合作用的效率已经达到极限，但也需要长时间的光照才能合成有限的有机物，例如每株小麦就需要几个月的光照，才能合成那十几粒麦粒。而异养的生物只是把别的生物（归根到底是进行光合作用的生物）现成的有机物拿来，而且拿的数量不受限制，异养生物积累有机物的速度就会快得多，也能够进行需要消耗大量能量的生命活动，包括神经活动。例如人一天就需要大约500克有机物，这些有机物就需要大约1平方米的小麦几个月的光合作用才能形成，但是通过异养方式，这些有机物一天就被消耗掉了，因此异养是比自养更有效的生活方式。地球上生物的物种中，绝大部分是异养生物。
如果在外星上光合作用能够大规模地进行，形成大量的有机物，就会给那些“拿现成”的外星生物提供了机会。在这种条件下，外星的异养生物（相当于地球上的动物）多半会出现，外星的智慧生物也会从这些异养生物中产生。
储存遗传信息的分子和催化化学反应的分子应该彼此分开而又互相联系
外星生物应该和地球上的生物一样，也是由复杂的化学反应系统组成的。其中的许多反应，特别是需要能量的合成反应，需要特殊的催化剂来完成。在地球上，这个任务是由具有催化功能的蛋白质（酶）来执行的。外星生物不一定要有由氨基酸组成的蛋白质来催化各种化学反应，但是也需要有由简单“零件”组成的复杂分子来执行这个任务。
外星生物和地球上的生物一样，也不可能是永远不死的“金刚不坏之身”，要生命能够持续下去，必须要有生成下一代的能力，也就是外星生物必须要进行繁殖。这就需要有分子来储存身体构造信息的分子，以便把这些信息传递给下一代。换句话说，外星生物也必须有遗传物质。这种物质不一定是DNA，但是也必须稳定而且能够被复制。
对遗传物质的要求应该是稳定，即应该不受每“日”生命活动的干扰；而对催化物质的要求应该是动态，这样才能使生命活动不断调整自己以应对外界条件的变化。为了使这两类分子各司其职，达到高效率，这两类分子应该逐渐彼此分开，类似于地球上的DNA和蛋白质。后者应该由前者编码，前者则由后者合成和复制。
也可能通过自然选择来演化
如果外星生命的遗传物质不是一成不变，而是像地球上的DNA那样也会由于各种原因而逐渐改变的话，外星生命很可能也要遵循达尔文提出的演化规律，即遗传物质变化的后果会通过自然环境进行选择，能够适应环境条件变化的才能生存下来，不能适应的就被淘汰。这样外星生命也会有一个从简单到复杂，从低级到高级的发展过程。
外星生物演化的快慢取决于各个星球具体的条件。如果资源不是很丰富，环境的变化又极其缓慢，也许外星生物会长期停滞在比较低级的阶段上。特别是围绕红矮星旋转的行星，环境也许比类似太阳系的系统简单和缺少变化。红矮星由于热核反应进行的速变比较低，寿命极长，可以在几百亿甚至上千亿年的时间内稳定地发光。由于红矮星质量小，形成行星的云盘也比较小，也许只形成一颗行星，也没有被大的陨石碰撞的事件。在这样的系统中生物演化的“动力”要比在地球上小得多，估计那里的生物演化也相对缓慢。地球从诞生之日起，经历了多少“惊心动魄”的事件，多次造成物种大规模的绝灭，同时也使地球上的生物不断演化，*后产生了人这样的智慧生物。
自然选择也包括生物之间对资源的竞争，因为生物
也是自然的一部分。在地球上，捕食与避免被捕食是促使生物演化的强大动力，如果有异养的外星生物出现，外星生物也会有捕食者和被捕食者之间持续不断的斗争，促使双方都不断完善自己。斗争的行为也会*终进入遗传物质而被固定下来，以便每一代都能够以同样的行为行事。所以如果有外星“人”造访地球，他们对人类不一定是友好的。当然也有另一种可能性：能够造访地球的外星人一定拥有极为先进的科技，在“思想”的发展上可能也远超过人类的发展阶段。他们也许已经能够理性地消除彼此之间的战争，对地球上的人类也可能非常友好而且提供帮助。到底是哪种情况，只有外星人真的到来那天才能知道。
也可能分雌雄两性
如果外星生物的遗传物质像地球上的DNA一样，也是不断变化的，那么他们也会遇到遗传物质是否能够共享的问题。在地球上，从病毒、细菌到人类，都通过各种方式共享同种或类似生物个体之间的遗传物质，以使遗传物质多样化，更好地适应环境的变化。有性生殖就是融合两个生物体的遗传物质，立即共享双方的遗传资源，是地球上多数生物，特别是高级生物的繁殖方式。但是有性生殖是以减数分裂为前提的，如果外星生命能够发展出自己的减数分裂机制，估计外星生物也会逐渐分化出雌雄两性。
有性生殖需要雌雄两性的配合，受精卵也通过不断的一分为二的方式发展出新的生物体。外星生命是否可能是三性的呢？三性不仅使得寻偶、求偶、交配更为复杂，而且还会由于个体的密度过低时找不齐三方而无法生殖。由于三方都有否决权，成功的概率会大大降低。而且三性也需要受精卵分为三份的机制，这也是非常复杂和困难的。出于这些原因，估计外星生物即使实行有性生殖，性别也不会超过雌雄两性。
智慧外星生物的出现
由于宇宙的年龄是137亿年，而地球的历史只有45.4亿年，会有一些行星形成的时间比地球早得多，上面的生命也更早开始发展，其中一些星球上生物演化的阶段也就可能大大超越地球上生物的演化阶段，也就是有可能演化出远比人类先进的智慧生物，他们的科学技术水平也可能是目前地球上的人类难以想象的。
在地球上，智力是以神经系统为基础的。动物*伟大的贡献就是发展出了神经细胞和神经系统。这不仅大大提高了信息传输的效率，也从神经活动中产生了感觉，再在感觉的基础上发展出了自我意识和情绪。意识的进一步发展就是智力，即“我”主动地分析处理通过感觉获得的信息（包括即时的和记忆的），从各种行动可能中选择出**方案。人类的智力就是这个发展过程的**成就。
但是我们不知道外星生物是否也会发展出用同样机制工作（神经冲动，即膜电位的变化以接力的方式传输）的神经系统。如果他们有不同的信息传输系统，即不使用神经冲动的方式，也许他们也不会产生地球上动物，特别是人类这样的动物的感觉和意识，他们处理信息的方式可能也和地球上动物的方式不同。如果智慧从这些外星生物产生，我们很难想象它是什么样的，和地球上人的智慧有什么不同。
计算机和人脑都能够处理信息，但是计算机处理信息的原理是基于晶体管的，是没有意识的。而人对信息的处理是基于神经网络的，是有感觉和有意识的。但是通过界面，计算机和人类能够进行沟通。如果外星生命有和人类不同的处理信息的方式，他们的智力和我们的智力就会有本质的差别，但是也有可能彼此沟通。外星生物的生理构造会极大地促进人类对生命现象的理解，而外星生物的智力对人类的影响更是不可估量的。
