在最新科学版的《创世纪》中，生命始于一个矛盾的毁灭行为。一颗太阳大小的恒星在消耗了核心的氢100亿年后，核燃料耗尽，变得不稳定。它经历了一系列剧烈的抽搐，喷射出一层炽热的原子——包括氢、碳和氧。这颗恒星最终熄灭成一颗惰性残骸，其原子飘散开来，似乎迷失在星际的黑暗中。
但接下来，故事出人意料地从毁灭转向了创造。其中一些游离的原子漂浮到一个附近的气体云中，并附着在那里的细小尘埃颗粒上。即使在零下440华氏度的极低温度下，原子也会相互碰撞，融合形成简单的分子。经过数百万年，云层中一个相对致密的区域开始内坍塌。一颗幼星在中心形成。在周围区域，温度升高，分子从冰冷的尘埃颗粒中蒸发，新一轮更复杂的化学反应开始。
接着，故事中最奇妙的部分来了。这些反应将氢、碳和氧的简单原子编织成复杂的有机分子。这些含碳化合物是生命的原材料——它们似乎在恒星之间的巨大空间中自发地、不可避免地出现。美国宇航局艾姆斯研究中心（位于加利福尼亚州莫菲特菲尔德）的斯科特·桑德福德（Scott Sandford）研究来自太空的有机分子，他表示：“有机物的丰度及其在生命起源中的作用，可能会让一个充满生命的巨大宇宙和一个生命稀少的宇宙之间产生巨大的差异。”
生命的基础化学可能在遥远的太空中、甚至在我们地球存在之前就开始了，这种观点曾经备受争议，甚至被认为是荒谬的。但现在不再如此。最近的观测表明，我们星系中的星云富含生命前分子。实验室模拟也证明，即使在极度寒冷、干燥、近乎真空的条件下，复杂的分子反应也能高效发生。最令人信服的是，我们确信来自太空的有机化学物质过去曾降落在地球上——因为它们现在正在这样做。对一块降落在澳大利亚的陨石的详细分析显示，它富含生命前分子。
大约45亿年前地球诞生之时，直到几亿年之后生命出现，类似的陨石和彗星可能曾将有机化学物质覆盖在地球上。也许这就是地球成为一个生命世界的方式。也许同样的事情也发生在许多其他地方。“制造这些物质并将其倾倒到我们星球上的过程是普遍的。它们应该在任何有恒星和行星形成的地方发生。”桑德福德说。
生命可能起源于宇宙的第一个令人信服的线索出现在1953年，这归功于化学家斯坦利·米勒和哈罗德·尤里设计的一项著名实验。通过研究古代岩石，地质学家对我们星球的原始化学成分有了一个粗略的了解。与此同时，生物学家发现了使活细胞得以存活的惊人复杂的有机分子。米勒和尤里想看看纯粹的化学是否能解释前者如何转化为后者。
两位研究人员准备了一个由玻璃烧瓶和玻璃管组成的密闭系统，并注入了甲烷、氨、氢和水的混合气体——这四种基本化合物被认为是地球原始大气中丰富的成分。然后米勒和尤里施加电流，模拟闪电释放的能量。不到一周，他们的混合物就产生了几种有趣的生命前化合物。许多科学家将此解释为确凿的实验证据，表明生命的组成部分可能通过非生物反应在地球上产生。
然而，在许多方面，这个实验却支持了相反的观点。即使是最简单的生命形式也包含两种惊人复杂的有机分子：蛋白质和核酸。蛋白质执行新陈代谢的基本任务。核酸（特别是RNA和DNA）编码遗传信息并将其从一代传递到下一代。尽管米勒-尤里实验产生了蛋白质的基本单位氨基酸，但它从未接近制造核碱基，即DNA和RNA的分子组成部分。此外，米勒和尤里很可能通过用含氢气体模拟地球早期大气而犯了错误，氢气容易反应，而二氧化碳则反应性低得多，但在当时可能更丰富。“有趣的化学物质不可能像实验看起来那样容易制造出来，”纽约州伦斯勒理工学院的天体生物学家道格拉斯·惠特特说。
如果生命不能轻易地在地球上起源，一些人争辩说，也许它起源于地球之外。这一假说最著名的倡导者是极具影响力的英国宇宙学家弗雷德·霍伊尔，他创造了“大爆炸”一词。他1957年的科幻小说《黑云》构想了一个有生命的、有智慧的太空尘埃云；这预示了他后来对泛种论的支持，即生命在太空中演化并传播到整个宇宙。从1960年代开始，霍伊尔撰写了一系列学术论文，描述细菌细胞如何从星际尘埃颗粒到达彗星，并最终降落到像地球这样的行星上。
霍伊尔的大多数同行认为他的想法近乎妄想。那时，几乎没有人认为生命前分子，更不用说整个微生物，能在严酷的太空真空中存活。“每个人都认为太空太冷，密度太低，无法形成分子，”国家射电天文台（NRAO）的天体化学家安东尼·雷米扬（Anthony Remijan）说，他是星际化学领域的领军专家。“这个假设在没有任何证据的情况下变成了‘事实’。”
雷米扬的导师之一，当时在NRAO工作的天文学家刘·斯奈德，却敢于提出异议。他并不认同霍伊尔关于细菌搭乘飞船穿越银河系的设想，但他认为有趣的分子可能存在于所谓的星际空间沙漠中。斯奈德也有一套寻找它们的方法。他知道许多化合物是偶极的——它们有一端带正电荷，另一端带负电荷——而且运动中的带电粒子会释放能量。斯奈德意识到，如果分子作为气体自由漂浮，其中一些应该像警棍一样旋转并产生微弱的射电波信号。更棒的是，每种分子都应该有其独特的能量特征：它应该在特定频率集上广播，天文学家可以使用地球上的射电望远镜检测和识别这些信号。
从20世纪60年代中期开始，斯奈德申请了主要射电望远镜的观测时间，但都无济于事。负责天文台的科学家们同意普遍的观点，即太空无法支持复杂的化学反应。1968年12月，斯奈德前往德克萨斯州奥斯汀参加美国天文学会的一次会议，他和同事大卫·布尔希望改变一些人的想法。在他们的演讲结束时，著名物理学家查尔斯·汤斯（他因激光发展方面的工作获得了诺贝尔奖）站起来宣布，他利用加州大学伯克利分校的射电望远镜在银河系中心附近发现了氨分子。“突然间，NRAO的人们认为我们不再是疯子了，”斯奈德说，“并要求我们列出我们想寻找的分子清单。”
1969年初，斯奈德和布尔在西弗吉尼亚州的NRAO绿岸望远镜安营扎寨，选择了他们的第一个目标：甲醛，一种由两个氢原子和一个氧原子连接到一个碳原子上的有机分子。果然，当他们将140英尺的射电天线指向银河系中心附近的一团巨大的气体和尘埃时，在4.8千兆赫的射电信号中出现了明显的下降——那是甲醛的“音乐”。同样的信号出现在一个又一个云团中。在等待了一年多的观测时间后，斯奈德只需要几个夜晚的望远镜时间就证明了复杂的有机分子，特别是甲醛，弥漫在银河系中。他很快在猎户座星云中发现了氰化氢（88.6千兆赫），并在一个名为人马座B2的云团中发现了异氰酸（87.9千兆赫）。“在那之后，我们就可以得到望远镜时间做任何事情了，”斯奈德说，“我们甚至可以寻找星际流感病毒。”
几年内，斯奈德和其他射电天文学家已经识别出数十种有机分子，包括甲酸（导致蚂蚁咬伤疼痛的物质）和甲醇（一种简单的醇）。尽管这些分子都没有达到米勒和尤里发现的氨基酸的复杂程度，但当它们在地球上的水中混合在一起时，一些分子可以形成蛋白质和其他对生物学重要的化合物。出乎所有人的意料，星际云被证明是孕育复杂化学反应的非常友好的环境。现在，一门全新的学科——天体化学——开始出现，其大胆的实践者着手更多地了解这些多彩星云中正在发生的事情。
尽管射电天文台提供了大量且不断增长的太空化学物质目录，但荷兰莱顿大学的天文学家J. Mayo Greenberg怀疑他的同事们遗漏了一个关键的谜题。射电天文学家正在寻找太空中自由漂浮的气体分子，但星云也包含尘埃，即碳和硅的微小颗粒。格林伯格想知道，如果像甲醛这样的星际气体分子与冰冷的尘埃颗粒碰撞，会发生什么？他推测，它们会立即冻结在那里，创造另一种环境，其中由星光驱动的化学反应可以发生。在仅比绝对零度高几度的温度下，分子仍然会振动。这些振动的分子——就像斯奈德观测到的旋转偶极分子一样——可以吸收和发射辐射。然而，格林伯格推测的冷冻化学物质不会出现在射电波段，而是在红外波段。从20世纪70年代开始，加州大学圣地亚哥分校的一个天文学家团队证实了格林伯格的观点。他们将各种红外望远镜指向星际尘埃云，并在与甲醇、氨和水冰等分子相对应的特定频率处发现了凹陷。
既然格林伯格知道星际空间既有冷冻分子也有气态分子，他想知道这些化学物质在如此异常的条件下如何相互作用。仅仅理论无法提供答案；这个问题需要一些动手实验。于是，1976年，格林伯格聘请了路易斯·阿拉曼多拉，一位最近刚获得伯克利低温化学博士学位的人，来重新创建可能发生在数千光年之外的微观冰粒上的反应。
阿拉曼多拉的解决方案是创造一个能够复制异域般寒冷深空环境的装置——本质上是米勒-尤里实验的“外星版”。他和同事弗雷德·巴斯安装了设备，将一个鞋盒大小的腔室冷却到接近绝对零度的几度以内，并将其减压到接近真空。然后，他设置了一个等离子灯，向腔室发射紫外线束，就像行星和恒星形成区域的尘埃云中存在的辐射一样。最后，他以真正的米勒-尤里方式，加入了一组简单的气体分子混合物，模仿当时已知的星际云成分，并观察结果。
阿拉曼多拉的模拟实验，最初在莱顿进行，现在在美国宇航局艾姆斯研究中心进行，不仅揭示了一些化学反应确实在极低温度下发生，而且这些反应还会产生其他活性化学物质，从而为更多的分子结合提供了火花。紫外线辐射也起到了推波助澜的作用：它加热了颗粒，并将一些分子分解成活性碎片，这些碎片反过来又与其他碎片结合形成新型分子。
再一次，大自然证明了在酿造复杂分子方面极其擅长。在阿拉曼多拉实验的当前版本中，由此产生的冰状混合物包含数十种生命前分子，其中包括米勒和尤里发现的相同氨基酸。事实上，阿拉曼多拉的“盒中星云”产生了更丰富的化学调色板。他已经制造出了含有碳、氮和氢的复杂分子环；看起来和行为都像保护活细胞的细胞膜的脂肪酸样分子；以及核酸或核苷酸，RNA和DNA的主要组成部分。
在实验室中创造分子并不能证明相同的分子存在于遥远星云的尘埃颗粒上，但到目前为止，阿拉曼多拉的技术拥有令人印象深刻的记录。到1990年，他公布了一份他的艾姆斯团队在模拟中创造的简单化合物清单。到2000年，射电天文学家已在我们的银河系中的各种尘埃云中发现了几乎所有这些化合物，这表明冰和气体之间的相互作用可能是合成生命前体最重要的机制之一。
然而，阿拉曼多拉的研究无法解释化合物如何从遥远的太空到达地球表面，在那里生命才真正扎根（尽管猜测众多）。解决这个问题意味着弥合弥散的星际云和最终从中形成的凝结物体之间的鸿沟。当云层致密区域坍塌时，巨大的内部部分变成了一颗恒星，而其余部分则形成了一个旋转的气体和尘埃盘，可能由此产生行星。（我们现在知道许多，也许大多数恒星都会产生这样的行星系统。）随着大型行星的形成，这个过程涉及巨大的热量和压力，以至于所有先前存在的有机物质的痕迹都被破坏了。然而，并非盘中的所有物质都受到如此残酷的对待。其中一些在彗星和小行星（冰和岩石的较小聚合物）中几乎完好无损。当这些物体的一部分以陨石的形式撞击地球时，它们可能已将有机分子带回到地球表面。
陨石可能富含有机分子的确凿证据出现在1969年，当时一块200磅重的陨石坠落在澳大利亚默奇森。分析表明，这块岩石含有数百万种有机化合物，其中包括不可能来自地球污染的氨基酸。两年前，来自莱顿的齐塔·马丁斯（Zita Martins）展示了这块陨石含有核碱基。加州大学圣克鲁斯分校的大卫·迪默（David Deamer）甚至发现了类似于阿拉曼多拉在实验室中创造的脂肪酸样分子。其他陨石——包括1950年降落在肯塔基州的默里陨石和1969年在墨西哥登陆的阿伦德陨石——也已被证明含有类似的有机化合物。
自45亿年前地球形成以来，携带着相同复杂化学物质的陨石就一直撞击着地球。“我们现在看到的降落在地球上的东西，很可能代表着地球幼年时期降落在我们身上的东西，”美国宇航局的桑德福德说，他曾周游世界寻找来自高空的样本。1984年，他在地球上找到了来自火星的岩石，1989年又找到了一块月球碎片。在为期六周的南极之旅中，他在午夜阳光下睡在帐篷里，白天骑着雪地摩托前往遍布陨石的冰原。
通过四十多年的努力，桑德福德和其他科学家们逐渐、艰难地梳理出了生命前化学故事的不同线索。碳、氢、氧和其他原子在星云中碰撞，有时自由地，有时与冰和尘埃结合。它们排列成复杂的分子结构。陨石富含有机化合物，这些化合物倾泻到附近的任何行星上。
埃默里大学的天体化学家苏珊娜·维迪库斯·韦弗（Susanna Widicus Weaver），其名字颇具天意，正在帮助将所有这些线索编织成一个单一、优雅的叙述。通过一系列模型和实验，她证明了紫外线辐射可以破坏化学键，并将分子分解成高活性的碎片，称为自由基。在-440°F的温度下，自由基很难做太多事情，但当温度略微升高（例如当恒星开始形成时），自由基就会合并形成更大的分子。“你可以取甲醇[CH3OH]，将其分解，产生几种类型的自由基，然后这些自由基可以相互结合，”韦弗说。“在颗粒表面只需两到三步，你就可以从一个简单的混合物变成一个复杂得多的东西，比如甲酸甲酯[HCOOCH3]。”在2008年的一篇重要论文中，韦弗预测了尘埃云中这些自由基的丰富存在（pdf）。红外天文学家对星际冰粒的彻底搜索应该能够确定自由基是否确实在构建生命前分子中发挥主要作用。如果它们确实如此，实验室中的天体化学家就可以研究这些自由基会产生哪些其他复杂的组合，然后在太空中寻找这些分子。
韦弗的模型还表明，一旦尘埃云中的温度达到约零下280华氏度，大多数分子会从尘埃颗粒上的冰中蒸发并进入气相，从而使它们反应得更快，并形成复杂的分子。她指出，分子参与者可能包括丙酮（洗甲水中的物质）、甲酸甲酯和乙二醇（防冻剂）。这解释了为什么射电天文学家在尘埃云中更温暖、更活跃的恒星诞生区域发现了更复杂的分子，而不是在更冷、更暗的区域。
但故事变得不那么清晰了。射电天文学家尚未识别出像氨基酸一样复杂的物质，因此天体化学家尚不清楚这些气态分子能变得多复杂。我们知道陨石中含有氨基酸甚至核碱基，但不知道它们是从尘埃云中获取这些分子，还是后来在行星际航行中形成的。“我们真的不知道尘埃云中的化学反应在哪里停止，陨石中的化学反应在哪里开始，”韦弗说。她指出，这个答案对于科学中最基本的问题之一：生命在整个宇宙中有多普遍？具有巨大的影响。
如果陨石创造了大部分生命直接的化学前体，那么我们的太阳系可能是一个特例。根据韦弗的说法，我们太阳的大小、它形成的星系区域，甚至行星形成所需的时间——所有这些特征在其他恒星系统中都不同，并可能影响任何围绕它们运行的类地行星可用的化学物质存量。但是，如果尘埃云可以自行制造这些分子，那么生命很可能在整个宇宙中普遍存在。“无论你观察哪个尘埃云，化学物质看起来都非常相似，”阿拉曼多拉说。
新一代灵敏高分辨率望远镜将通过探测尘埃云和形成小行星、彗星和行星的原行星盘来帮助解决争论。雷米扬和他的同事们对智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列（ALMA）的科学潜力垂涎三尺。ALMA是一个由66个射电天线组成的网络，当它在2012年末全面运行时，将提供前所未有的分辨率和灵敏度。此外，两个基于空间的红外天文台——欧洲空间局的赫歇尔空间天文台（自去年以来一直在收集数据）和美国宇航局的詹姆斯·韦伯空间望远镜（计划于2014年发射）——将使天文学家能够寻找韦弗模型预测的特定冰态自由基的红外特征。
尽管天文学家们喜欢玩弄新仪器，但没有什么比亲眼目睹地外化学反应更令人兴奋了。我们目前还无法将探测器送往猎户座星云，但我们可以在离家更近的地方寻找线索。木星的一颗大卫星——欧罗巴，被一层厚厚的冰壳覆盖，上面布满了棕褐色或粉红色的裂缝。土星小得多的卫星——恩塞拉多斯，则拥有一个喷射氨、甲醛和其他有机分子的冰火山网络。这些富含水的卫星可能复制了星际尘埃云中发现的有机化学反应。其中一个线索与这些卫星不断变化的颜色有关。“深空中发生的一些相同过程，也可能发生在太阳系超冷外围区域的这些冰冻天体中。”阿拉曼多拉说。
从宏观角度看，雷米扬惊叹于他和同事们所取得的一切成就。不久前，深空似乎是静态而沉闷的；现在它看起来像是生命蓝图的可能孕育地，这可能在整个宇宙中共享。然而，最大的谜团仍未被触及：无论其起源如何，有机分子的集合是如何在地球上实现生命飞跃的？
“总目标是获取这些化学物质，将它们混合在一起，形成一个像RNA一样的自我复制分子，”雷米扬说。他个人帮助使用西弗吉尼亚州的绿岸望远镜探测了11种星际分子，但他认识到，一份完整的有机化学物质清单仅仅是一个开始。科学家真正需要的是40亿年前地球上正在发生的化学反应的快照。这实际上是可能实现的。
泰坦，土星的另一颗卫星，拥有浓密的、带有甲烷色调的大气层，这让人联想到早期的地球。它的表面甚至有烃类池，是除了我们自己的地球之外，唯一已知存在液态水体的星球。但泰坦表面零下290华氏度的温度意味着其所有化学反应都以慢动作进行。因此，对泰坦的研究可以让我们一窥复杂的生命前分子是如何在地球上，也可能在许多其他世界上结合在一起的。
在一项新的研究中，来自美国和法国的研究人员进行了一项新的米勒-尤里式实验，混合了在土卫六大气中发现的有机分子。他们最终得到了构成RNA和DNA的所有核碱基。这项研究表明了一种新的合成的开始，它以更深刻、更有意义的方式重新审视了旧问题。这可能不是生命化学是在太空、陨石还是行星（或卫星）表面开始的问题。所有这三个环境很可能都助了一臂之力。
“当生命在地球上形成时，它可能利用了多种来源，有些来自地球，有些来自天空，”桑德福德说。“生命不关心分子上的‘产地’标签。”
有机空间
自1969年路易·斯奈德和大卫·布尔发现星际甲醛以来，天文学家已在深空中识别出超过150种分子，主要通过使用射电望远镜探测分子发出的微弱辐射。近几年发现的著名太空化学物质包括甜味的（一种糖，乙醇醛）、芳香的（甲酸乙酯，闻起来像朗姆酒）和爆炸性的（雷酸，用于引爆器）。最令人兴奋的是，一些分子与生命相关的分子相似：2007年，一个国际团队发现了氨基乙腈（NH2CH2CN），一种结构上与甘氨酸（生物蛋白质的组成部分之一）相似的分子。
