研究宇宙生命的天体生物学面临的最大挑战之一是了解生命本身的本质。 一个多世纪以来，生物学家已经认识到，地球上的生命是由DNA、RNA和氨基酸等基本成分构建而成的。 化石记录进一步揭示了生命进化的无数路径，产生了种类繁多的生物。 然而，证据也表明，进化的可能性并不是无穷无尽的；趋同和制约因素极大地塑造和限制了生命的形式。
哪些分子形成了 RNA？我们能否利用它们来确定宇宙中可能形成生命的地方？ 图片来源：NASA/Jenny Mottar
这就给天体生物学家提出了一个有趣的问题： 其他星球上的生命可能是什么样的？ 我们对地球生物学的了解能否帮助我们预测外星生命？ 圣达菲研究所（SFI）领导的一个研究小组在一项最新研究中探讨了这些问题。 通过对不同科学学科的案例研究，他们确定某些基本制约因素使得某些生命形式不太可能存在。
研究小组由里卡德-索莱（Ricard Solé）领导，他是庞培法布拉大学复杂系统实验室的负责人，也是圣达菲研究所（SFI）的外聘教授。 与他合作的还有SFI的多位同事以及来自格拉茨大学生物学研究所、复杂多层网络实验室、帕多瓦网络医学中心（PCNM）的研究人员、 乌默奥大学、麻省理工学院（麻省理工学院）、佐治亚理工学院、东京工业大学和欧洲生活技术中心（ECLT）。
Archean年代地球的艺术家印象。 图片来源：Peter Sawyer/Smithsonian Institution。
研究小组考虑了星际探测器如果降落在系外行星上并开始寻找生命迹象可能会发现什么。 这样的任务如何识别在不同于地球的生物圈中进化的生命呢？ 假设生命出现需要物理和化学前提条件，那么几率可能要大得多。 然而，如果我们将目光从进化生物学和天体生物学转向合成生物学和生物工程，问题就会变得复杂得多。
索莱和他的团队认为，所有这些考虑因素（合在一起）归结为一个问题：科学家能否预测在我们从地球生物圈中了解到的生命形式之外，还存在哪些可能的生命组织？ 索莱说，在不知道寻找什么和合成生物学的挑战之间，这给天体生物学家带来了重大挑战：
"最大的问题是生物特征的探测。 以适当的分辨率探测系外行星大气层正在成为现实，并将在未来几十年得到改进。 但是，我们怎样才能确定一个可靠的标准，说测量到的化学成分与生命有关呢？
"[合成生物学]将是这次探险的一条平行线索。 合成生命可以提供深刻的线索，告诉我们在特定条件下可以期待什么以及可能性有多大。 对我们来说，合成生物学是一种强大的方式，可以让我们探究自然界的可能性"。
氨基酸和肽结合形成有机细胞的序列。 资料来源：peptidesciences.com
为了研究这些基本问题，研究小组考虑了来自热力学、计算、遗传学、细胞发育、脑科学、生态学和进化论的案例研究。 他们还考虑了以前的研究，试图根据趋同进化（不同物种独立进化出相似的特征或行为）、自然选择和生物圈施加的限制来建立进化模型。 索莱说，他们从中发现了所有生命形式都必须具备的某些条件："我们研究了最基本的层面：在信息、物理和化学边界似乎不可避免的情况下，跨销售的生命逻辑。 例如，细胞作为基本单位，在结构上似乎是一个预期的吸引物：囊泡和胶束自动形成，并允许离散单位的出现。"
作者还列举了历史上的一些例子，在这些例子中，人们预测了生命的一些复杂特征，而生物学家后来证实了这些特征。 一个重要的例子是埃尔温-薛定谔 1944 年发表的《什么是生命？》一书，他在书中预言遗传物质是一种非周期性晶体--一种不重复但仍有精确排列的结构--它能编码指导生物体发展的信息。 这一提议激发了詹姆斯-沃森和弗朗西斯-克里克的研究热情，使他们于 1953 年发现了 DNA 的结构。
不过，索莱说，约翰-冯-诺依曼的工作也比分子生物学革命早了很多年。 他和他的团队提到了冯-诺依曼的"通用构造器"概念，这是一种基于细胞生命和繁殖逻辑的自我复制机器模型。索莱总结道："原则上，生命可以采用非常多样的构型，但我们认为，所有生命形式都将具有一些不可避免的共同特征，例如线性信息聚合物或寄生虫的存在。"
冯-诺依曼的自我复制通用构造器的首次实现。 图中显示了三代机器：第二代机器几乎完成了第三代机器的构造。 图片来源：维基媒体/Ferkel
与此同时，他补充说，在天体生物学能够有把握地预测宇宙中的生命形式之前，还有许多工作要做：
"我们提出了一套案例研究，涵盖了生命复杂性的广泛特性。 这为发展基本原理提供了一个明确的路线图。 在某些情况下，例如寄生虫的不可避免性，观察结果非常有力，我们对为什么会发生这种情况有了一些直觉，但还没有一个普遍的理论论证。 要发展和证明这些观点，需要从计算和合成生物学到生态学和进化等不同领域之间建立新的联系。"
研究小组的论文《生命系统逻辑的基本制约因素》发表在《界面聚焦》（英国皇家学会出版物）上。
改编自Universe Today上最初发表的一篇文章。