حیات فرازمینی
اساس بیوشیمیایی

شرط اولیهٔ بنیادی برای حیات، وجود محیطی با ترمودینامیک غیرتعادلی است، به این معنی که تعادل ترمودینامیکی باید توسط منبعی از انرژی شکسته شود. منابع سنتی انرژی در کیهان، ستاره‌ها هستند – مانند حیات روی زمین که به انرژی خورشید وابسته است. با این حال، منابع انرژی جایگزین دیگری نیز وجود دارند، مثل آتشفشان‌ها، فعالیت‌های تکتونیکی صفحه‌ها و چاه‌های گرمابی. در اعماق اقیانوس، اکوسیستم‌هایی روی زمین وجود دارند که نور خورشید دریافت نمی‌کنند و به جای آن، انرژی خود را از دودکش‌های سیاه تأمین می‌کنند. میدان‌های مغناطیسی و رادیواکتیویته نیز به عنوان منابع انرژی پیشنهاد شده‌اند، اگرچه کارایی کمتری دارند.
حیات روی زمین برای انجام واکنش‌های بیوشیمیایی به آب در حالت مایع به عنوان حلال نیاز دارد. به شدت بعید است که فرایند بی‌جان‌زایی بتواند در محیط گازی یا جامد شروع شود: سرعت اتم‌ها، چه خیلی سریع و چه خیلی کند، کار را برای ملاقات اتم‌های خاص و شروع واکنش‌های شیمیایی دشوار می‌کند. یک محیط مایع همچنین به انتقال مواد مغذی و مواد مورد نیاز برای متابولیسم کمک می‌کند. مقادیر کافی کربن و سایر عناصر، همراه با آب، ممکن است امکان تشکیل موجودات زنده را در سیارات زمین‌سان با ترکیب شیمیایی و محدودهٔ دمایی مشابه زمین فراهم کند. حیات مبتنی بر آمونیاک به جای آب به عنوان جایگزینی مطرح شده است، اگرچه به نظر می‌رسد این حلال از آب مناسب تر نیست. همچنین تصور این وجود دارد که اشکالی از حیات وجود داشته باشند که حلال آنها یک هیدروکربن مایع مانند متان، اتان یا پروپان باشد.
یکی دیگر از جنبه‌های ناشناختهٔ حیات فرازمینی احتمالی، عناصر شیمیایی تشکیل دهندهٔ آن خواهد بود. حیات روی زمین تا حد زیادی از کربن تشکیل شده است، اما انواع دیگری از بیوشیمی فرضی می‌تواند وجود داشته باشد. جایگزین بالقوه برای کربن باید بتواند مولکول‌های پیچیده ایجاد کند، اطلاعات مورد نیاز برای تکامل را ذخیره کند و به سهولت در محیط در دسترس باشد. برای ایجاد دی‌ان‌ای، آران‌ای یا آنالوگی مشابه، چنین عنصری باید بتواند اتم‌های خود را با بسیاری از اتم‌های دیگر پیوند و مولکول‌های پیچیده و پایدار تشکیل دهد. باید بتواند حداقل سه پیوند کووالانسی ایجاد کند. دو پیوند برای ساخت زنجیره‌های بلند و حداقل یک پیوند سوم برای افزودن پیوندهای جدید و اطلاعات متنوع. تنها ۹ عنصر این نیاز را برآورده می‌کنند: بور، نیتروژن، فسفر، آرسنیک، آنتیموان (سه پیوند)، کربن، سیلیسیم، ژرمانیم و قلع (چهار پیوند). از نظر فراوانی، کربن، نیتروژن و سیلیسیم فراوان‌ترین‌ها در جهان هستند، بسیار بیشتر از بقیه. در پوستهٔ زمین، فراوان‌ترین این عناصر سیلیسیم است، در آبکره، کربن و در جو، کربن و نیتروژن. با این حال، سیلیسیم نسبت به کربن معایبی دارد. مولکول‌های تشکیل شده با اتم‌های سیلیسیم کمتر پایدارند و در برابر اسیدها، اکسیژن و نور آسیب پذیرتر هستند. اکوسیستمی متشکل از اشکال حیات مبتنی بر سیلیسیم به دماهای بسیار پایین، فشار اتمسفر بالا، جو بدون اکسیژن و حلال غیر از آب نیاز دارد. دمای پایین مورد نیاز، مشکل دیگری را اضافه می‌کند: دشواری در شروع فرایند بی‌جان‌زایی برای ایجاد حیات در وهلهٔ اول.
حتی اگر حیات فرازمینی مانند حیات زمین بر پایهٔ کربن باشد و از آب به عنوان حلال استفاده کند، همچنان ممکن است دارای بیوشیمی کاملاً متفاوتی باشد. حیات روی زمین با دنیای آران‌ای شروع شد و بعداً به شکل کنونی خود تکامل یافت، جایی که برخی از وظایف آران‌ای به دی‌ان‌ای و پروتئین‌ها منتقل شدند. ممکن است حیات فرازمینی هنوز در دنیای آران‌ای گیر کرده باشد یا به پیکربندی‌های دیگری تکامل یابد. مشخص نیست که آیا بیوشیمی ما کارآمدترین گزینهٔ ممکن است که می‌توانست ایجاد شود، یا کدام عناصر الگوی مشابهی را دنبال می‌کنند. با این حال، به احتمال زیاد، حتی اگر سلول‌ها ترکیب متفاوتی نسبت به سلول‌های زمین داشته باشند، باز هم غشای سلولی خواهند داشت. حیات روی زمین از طریق فرگشت از پروکاریوت‌ها به یوکاریوت‌ها و از جانداران تک‌سلولی به جانداران چندسلولی جهش کرد. تاکنون هیچ فرایند جایگزینی برای دستیابی به چنین نتیجه‌ای تصور نشده است، حتی به صورت فرضی. فرگشت مستلزم آن است که حیات به موجودات زندهٔ جداگانه تقسیم شود، و هیچ سازماندهی جایگزینی هم به‌طور قابل قبولی پیشنهاد نشده است. در سطح پایه، غشاها حد یک سلول را بین آن و محیطش مشخص می‌کنند، در حالی که تا حدودی برای تبادل انرژی و منابع با آن بازمی‌مانند.
تکامل از سلول‌های ساده به یوکاریوت‌ها و از آنها به اشکال حیات چند سلولی قطعی نیست. انفجار کامبرین هزاران میلیون سال پس از پیدایش حیات رخ داد و علل آن هنوز به‌طور کامل شناخته نشده است. از طرف دیگر، جهش به چند سلولی شدن چندین بار اتفاق افتاد، که نشان می‌دهد این می‌تواند یک مورد از فرگشت هم‌گرا باشد، و بنابراین احتمالاً در سیارات دیگر نیز رخ دهد. سیمون کانوی موریس، دیرینه‌شناس، بر این باور است که فرگشت هم‌گرا به فرمانروهایی شبیه به گیاهان و حیوانات ما منجر می‌شود و به احتمال زیاد بسیاری از ویژگی‌ها در حیوانات فضایی نیز ایجاد می‌شود، مانند تقارن دو طرفه، اندام‌ها، دستگاه‌های گوارشی و سرهایی با اندام‌های حسی. دانشمندان دانشگاه آکسفورد آن را از منظر نظریهٔ فرگشت تجزیه و تحلیل کردند و در مطالعه‌ای در مجلهٔ بین‌المللی اخترزیست‌شناسی نوشتند که فضایی‌ها ممکن است شبیه به انسان‌ها باشند. زمینهٔ سیاره‌ای نیز تأثیر خواهد داشت: سیاره‌ای با گرانش بیشتر حیوانات کوچکتری خواهد داشت و انواع دیگر ستارگان می‌توانند منجر به فتوسنتزگرهای غیرسبز شوند. مقدار انرژی موجود نیز بر تنوع زیستی تأثیر می‌گذارد، زیرا اکوسیستمی که از دودکش‌های سیاه یا شکاف‌های هیدروترمال تأمین می‌شود، نسبت به آنهایی که توسط نور و گرمای یک ستاره حمایت می‌شوند، انرژی کمتری در اختیار دارد و بنابراین اشکال حیات آن فراتر از پیچیدگی خاصی رشد نخواهند کرد. همچنین تحقیقاتی در زمینهٔ ارزیابی ظرفیت حیات برای شکل دهی هوش انجام شده است. چنین گفته شده که این ظرفیت با تعداد کنام‌های بالقوه‌ای که یک سیاره در خود جای داده است افزایش می‌یابد و پیچیدگی خود حیات با چگالی اطلاعاتی محیط‌های سیاره‌ای منعکس می‌شود که به نوبهٔ خود می‌تواند از کنام‌های آن محاسبه شود.