5.3 为什么在太阳系中唯独地球具有生物圈
在阐述了地球生物圈形成的过程之后，回过头来用新的观点来回答“为什么只有地球具有由多样的生命组成的生物圈”这个问题。
（1）火星和金星在演化早期可能产生过生命
我们曾说过，在太阳系的9个行星中，火星和金星在演化早期其表面状态与地球最相似。因此，我们曾提出过一个假说（张昀，1993），即火星与金星在早期可能也和地球一样曾经历过前生命的化学进化而产生过原始生命，但由于某种未知原因或某些偶然事件而导致生命进化的终止或进化的停滞（停滞于原始生命阶段），没有能形成相对稳定的生态系统并扩展成为覆盖星球表面的生物圈。
这个假说的依据是：火星和金星在演化早期也具有前生命化学进化的必要条件，即具有含碳、氮、氢而几乎不含自由氧的大气圈，有固结的岩壳，还可能具有小的水体（原始海洋）。即使按某些学者的观点，地球上前生命化学进化的分子原料来自彗星的“轰击”（Delsemme，1984），那么轨道靠近地球的火星与金星也很可能同样地从彗星获得有机分子。
20世纪70年代以来，对火星与金星的探测结果表明，金星与火星大气中有气态水，火星两极的“冰帽”可能是冻结的水，火星表面的沟谷交错的形貌也表明它可能曾经有过液态的水圈，今日的干涸状态可能是在演化的过程中水圈丢失的结果。
类地行星表面的液态水的来源有二：一是行星内部水的溢出，二是来自彗星及小行星的外源水。行星内部水来自初始的星云物质，在行星演化的凝聚阶段进入内部，后来通过出气作用而溢出。彗星尾部含有约50%的水，C型小行星含有13%～20%的水，它们与行星碰撞时其所含的水被行星捕获。据学者的估计，地球内部来源的水约占地球水圈总质量的50%～70%。假如形成类地行星的太阳系星云的内圈部分的物质是混合均匀的，则金星与火星内部水的相对含量应与地球的相同；假如混合不均匀，也只有量的差别，行星内部应该都含有一定量的水。彗星与小行星撞击金星与火星也同样会带来一定量的外源水。假设形成类地行星的初始物质是均匀的，有人估计在40亿～30亿年前的10亿年期间，火星上通过火山喷发等出气作用带出的水量足以形成覆盖火星表面500 m厚的液态水圈。据计算，每2亿～7亿年就可能有一个2×1015 g重的彗星（按1 g/cm3密度计算，其直径约为1.6 km）撞击到火星上，带来的水量约为1015 g（10亿吨）。金星比火星大，其内源和外源的水量都不会小于上述数字。
80年代末至90年代初，通过空间探测获得了金星与火星大气的重氢与氢的比值（D/H）数据，证明金星与火星的D/H值显著地高于地球。估计太阳系内圈的初始D/H值与现在的地球D/H值相近，为1.5×10-4。金星的D/H值（1.6×10-2）比地球的高出100倍，而火星的D/H值相当于地球的5倍。一些学者认为，造成行星大气重氢富集的机制乃是氢与重氢逃逸速率的差异，大气圈上层的水在紫外线，特别是极端紫外线（EUV）辐射下，裂解为氢与氧。氢逃逸（摆脱重力场，逸出行星），但重氢逃逸速率低于氢，因而造成重氢富集。因此，一种假说认为金星与火星在其演化的某一时期曾经存在过液态水圈，后来水丢失了，变成今日的干涸状态；水丢失的主要机制是大气圈上层水在太阳强紫外辐射下分解及其后的氢逃逸；今日金星与火星大气重氢的富集（高D/H值）就是一个证据（参考Bergh，1993）。假定火星形成时的初始物质与地球相同，假设重氢富集机制是氢与重氢的差异逃逸，则据此计算，火星以前曾经有过能覆盖其整个表面2.5 m深的液态水圈。
火星与金星上的水是否全部丢失了呢？从遥感照片上可以看到，火星的“南极”有一大块强反射区，学者们认为它很可能是冻结的水形成的“冰帽”。俄罗斯学者Glichinsky等（见Origins of Life，第23卷，1993）对永久冻土岩中的生命及其生存条件的研究中发现：在零度以下温度，冻土中除了冰以外还存在着大约2%～7%的非冻结水，这些微量的非冻结水在原核生物的细胞表面形成薄膜，这层水膜能防止细胞被冰晶损伤。地球上的永久冻土岩可能和火星上的“冻帽”区的条件相似，如果火星冰帽区的冻结岩中存在微量的非冻结水，则某些耐寒的原始生命依然存在于火星上的可能性是不能排除的。
然而，火星上是否曾经有过生命，或者某些原始生命是否依然残存于火星的局部，这个问题最终还需要靠空间探索来回答。
遗憾的是，1976年美国“海盗号”登陆器对火星表土的探查和分析结果却得出否定的结论，即没有发现任何生命存在或曾经存在的证据。这给长久以来的期望浇了一盆凉水，也大大降低了探查火星生命的积极性。实际上这个问题并没有得到最终的答案，因为“海盗号”登陆器毕竟只考查了火星表面极小的部分。
最近，关于火星上可能存在过生命的新证据来自从地球南极区获得的所谓SNC类陨石。对这类陨石的包裹体中气体所做的同位素化学分析证明它们是来自火星。似乎是由于火星上发生的一次撞击事件（火星以外的天体撞击到火星上）所产生的火星岩石碎块飞出了火星重力场，掉落到地球南极。1996年8月，美国和加拿大学者报道了他们对在南极搜集到的SNC陨石中的一块编号为ALH 84001的陨石所做的细致的分析结果（Mckay, et al.，1996）。
这块火星陨石于13 000年前落到地球南极。它是一块火成岩，主要组成矿物是斜方辉石（一种含镁、铁的硅酸盐矿物），还有少量的橄榄石、铬铁矿、黄铁矿及磷灰石。这块陨石大约形成于45亿年前，经历过两次撞击事件。陨石上至少有三种关于火星生命存在的间接证据。
关于火星生命存在的第一种证据是陨石裂隙中的碳酸盐矿物。在陨石的裂隙中充填了次生的球粒状的碳酸盐矿物。分析表明这些碳酸盐矿物形成于36亿年前，氧同位素分析数据表明它们可能形成于80℃以下的较低温度下。碳酸盐矿物形成于水环境，证明火星上在36亿年前确实存在液态水。碳来自大气圈中的CO2，稳定碳同位素比值δ13C的范围很宽，从-17‰到+42‰。在地球上只有生命活动才能产生这么宽的碳同位素值。这些碳酸盐由直径为1～250 μm的球粒组成，球粒是扁平的，有明暗交替的环纹。在扫描电镜下观察，球粒中心为富锰的核，外面交替地包裹着富铁和富镁的环带。富铁的环带是由纳米级的超微的卵形体聚集而成。这些研究者认为，这些特殊的超微结构不大可能是无机成因的，很可能是微生物活动的产物，或是这些微生物的遗迹。
ALH 84001陨石的第二种指示生命可能存在的证据是裂隙内表面的多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbonates）的存在。多环芳烃作为生物标记物（biomarkers）在地球岩石中常见，一般认为是来自低等生物（例如，浮游生物、藻类）。陨石中的多环芳烃多集中分布于裂隙中的碳酸盐球粒上。沾染检测和对照试验都证明这些多环芳烃是陨石本身具有的，而不是在地球上沾染的。
此外，陨石中黄铁矿和磁铁矿微粒也被认为是微生物的产物。
此后不久，欧洲的一个研究小组在另一块火星陨石中也有类似的发现。上述发现还不能算是火星生命的直接证据，但至少鼓舞了对火星生命的继续探索。1996年12月4日，美国“火星探路者”探测器在佛罗里达卡拉维纳尔角发射升空，1997年7月4日在火星上着陆。我们等待着它发回来的信息。
从上面叙述的事实我们可以做出下面的推论，即火星和金星在演化早期也和地球一样，曾经经历过前生命的化学进化过程并产生过某种原始生命。但这些原始生命并没有发展形成生物圈，很可能在进化的某一阶段随着液态水圈的消失而消失，或者在火星的某些局部可能还残存着长期进化停滞的原始生命。不管怎样，对于火星、金星与地球今日的表面状态的悬殊差异，不大可能仅仅从轨道和星体体积大小找到解释，而应当从行星演化历史中找原因。地球经历了一个漫长的始终有生命参与的演化历史，而火星与金星则走了另一条道路。
（2）另一个问题：既然火星和金星在演化早期可能产生过生命，为什么这些生命没有能形成生物圈？
回顾一下地球生物圈形成的历史过程和前面提到的行星生物圈形成的几个条件，也许能够对这个问题的回答提供一些线索。
如果金星与火星上早期曾经产生过生命，而这些原始生命类似地球上的化能自养细菌，那么正如前面所说的，由于它们所能利用的能源以及适于生存的环境的局限，它们只能零星地分布于星体表面的局部而不能建立占据广阔空间的生态系统，更谈不上建立生物圈。零星分布的原始生命不可能起调节控制星体表面环境的作用，因而液态水圈和早期的生命可能同时消失了。换句话说，如果在金星与火星上，由于没有进化出类似地球上蓝菌那样的能进行光合作用、释放氧气而同时又能沉淀碳酸盐的生物，其大气圈中的CO2不能转移到岩石圈中，因而始终保持着以CO2为主要成分的大气圈，从而导致星体表面高温，促使液态水挥发。而在地球上由于早在35亿年前就进化出沉淀碳酸盐和建造叠层石的光合微生物——蓝菌，经过漫长的“蓝菌时代”终于把地球表面改变得适合于复杂的高等生物生存的状态。
比较行星学研究告诉我们，今日的金星与火星的表面状态大不同于地球。金星大气密度是地球的90倍，CO2为其主要成分（含量占96%），几乎不含自由氧，呈酸性；浓密的、CO2占优势的大气圈使金星表面温度较高，以致不能保持液态水圈；岩石圈厚，没有明显的构造运动。火星的大气密度较小，化学组成类似金星大气，岩石圈厚，无明显的构造运动。
地球、金星与火星在太阳演化初期几乎同时形成，而且可能有非常相似的初始状态，只是在后来才分道扬镳：地球经历了38亿年漫长的有生命参与的演化过程而达到今日的状态，金星与火星则经历了同样长的无生命的演化历史而成为现在的状态。
Anderson（1984）认为，如果金星大气圈中的CO2能大量转移到岩石圈中，金星表面的温度就会下降，继而其壳内玄武岩-榴辉岩相变带的位置会上移到浅层部位，如此则金星的外壳就不稳定了，就会出现类似地球上的板块构造运动。而地球是靠生物将大气中的CO2转移到岩石圈中的，元古宙的蓝菌和显生宙的造礁生物大规模地转移大气中的CO2，形成碳酸盐岩石沉积下来。Anderson认为，构造运动之所以存在于地球而不存在于金星，是因为地球上进化出了能沉积碳酸盐岩的生物。
如果地球早期没有进化产生出蓝菌，或蓝菌因偶然原因而很早绝灭，则地球就不大可能出现促使高等生物进化的环境条件，就不可能建立相对稳定的、完整的生物圈。如果问为什么金星与火星上没有进化产生出类似蓝菌的生物，目前我们只能回答说：可能是偶然的或未知的原因。历史既非决定的，亦非偶然的。但偶然事件确能改变历史。进化犹如弈棋，每走一步棋都对后面的棋局产生影响和限制，一步之差，结局可能完全不同。
[1] Vernadsky V I. The Biosphere Lodon: Synergetic Press, 1986.